Brevet FR2454696A1 — publié le 19801114

La présente intention, due aux travaux de Monsieur Michel FEIDT du Laboratoire de Mécanique Théorique et Appui quée et Energétique à Nancy (France), a pour objet un dispositif du genre "orbitron". Elle trouve une application dans la réalisation de jauges à ionisation et de pompes de type ionique. Le domaine privilégié d'application de l'invention est donc celui du vide ou de l'ultravide et plus précisément celui de la physique analytique, de l'optique électroniqu@ des accélérateurs de particules, etc... Les dispositifs de type "orbitrsn" sont bien con@@s. Ils comprennant une enceinte à vide munie d'une sathode cylindrique à l'intérieur de laquelle sont diposés une anode filiforme axiale et un émetteur d electrons ; ce dernier est généraient constitué par un filament thermo-émissif. Les électrons mis par ce filament sont accélérés par le champ électrostatique qui règne entre l'anode et la cathode et entrent en collisiun inélastique avec des atomes ou melécules du gaz sésiduel present dans l'enceinte. Ces collisions donnent naissance à des ion positifs, qui sont ensuite collectés par la cathode. Eventuellement, un matériau "getter" est disposé sur l'anode. Il est alors exposé @u bombardement électronique qui prov@que son évep@ration. La pomps est dans ce cas de type getter-i@nique. Eventuellement encore, une enveloppe parcourue par un fluide cryogénique entoure la cathode, ta pompa est alors de type crye-ionique. A prepos de ces dispositifs, on pourra consulter le drevet américain 3.630.472 délivré le 11 juillet 1987 et intitulé "Vac@um device", ainsi que le brevet américain 3.339.106 délivre le 29 août 1967 et intitulé "@onization Va@u@m pump of the Droitron type having a perous annular giid electrode". On pourra consulter également l'article de M.L. FEIDT et D.E. PAULMIEP intitulé Conditions of electronic injection into a racial electrostatic field pump" publie dan. la revue Vacuum", vol. 22, nO 5, 1972, p. 181-182 et l'article des mêmes auteurs intitulé "Influence of ionization phenomena and electron space-charge on condition of electronic injection into an orbitron device" publie dans la revue "Vacuum",. vol. 28, 1978, n 8/9, p. 333-336. Les dispositifs "orbitron" présentent un certain nombre d'avantages par rapport aux autres types de pompes ioniques : absence de circuit magnétique, légèreté, simplicité de construction et d'utilisation, auto-étuvage, grande vitesse de pompage, etc... Malgré cela, il ne semble pas que leur succès commercial ait été celui qu'on leur prédisait, et les pompes getter-ioniques à champ magnétique gardent encore la faveur de nombreux utilisateurs. La raison en est sans doute que les avantages procurés par les dispositifs "orbitron",s'ils ne sont pas contestés, sont cependant juges insuffisants pour justifier une rupture avec les techniques antérieures et avec les habitudes acquises. La présente invention a justement pour obet un perfectionnement à ces dispositifs "o-rbitron" qui, en apportant une amélioration de leur efficacité, devrait leur permettre d'occuper définitivement la place qui leur revient. Le perfectionnement apporté par l'invention fait suite à une étude théorique et expérimentale approfondie du fonctionnement de I"'.orbitron, que le demandeur a entreprise et menée à bien, et qui lui a permis de découvrir le rôle important tet néfaste) joué par les effets de bout qui se manifestent au niveau de l'anode. En effet, dans les dispositifs "orbitnon" antérieurs, l'anode est constituée par un cylindre filiforme tenu à l'une de ses extrémités et libre à l'autre. Il résulte de cette disposition deux inconvénients - le premier qui tient au fait que le volume offert aux électrons n'est pas défini avec précision, notamment en raison des distorsions de champ provoquées par l'extrémité libre de l'anode, ce qui nuit à la sensibilité du disposi tif, - le second, qui vient de ce que le dispositif doit néces sairement être utilisé en position verticale pour éviter tout fléchissement de l'anode, qui déformerait les li gnes de champ électrique et affecterait le bon fonction nement de l'appareil. Ayant mis en évidence ce rôle néfaste joué parles effets de bout, le demandeur a pu y remédier en proposant une structure dans laquelle ces effets sont supprimés. A cette fin, dans le dispositif worbitron"-de l'lnvention, le volume offert aux électrons est fermé aux deux extrémités du cylindre de cathode par deux plateaux conducteurs polari sés, l'anode s'étendant alors d'un plateau à l'autre, ses deux extrémités étant w-enues par les deux plateaux Naturellement, l'un au moins des plateaux doit etre transparent vis-à-vis des gaz pour que l'ionisation de celui-ci soit possible. Ce moyen permet de remédier aux deux inconvénients évoqués plus haut. En effet, la présence des plateaux d'extrémité, d'une part, délimite avec précision le volume cylindrique coaxial offert aux électrons, ce qui augmente la longueur de leur libre parcours et, corrélativement, la sensibilité de l'appareil, et, d'autre part, permet de maintenir l'anode dans l'axe de la cathode, quelle que soit la position du dispositif, supprimant ainsi la sujétlon de mise en place mentionnée plus haut. L'efficacité d'ionisation du dispositif de l'invention étant ainsi accrue par rapport aux dispositifs de l'art antérieur, la puissance électrique dissipée est moindre et un refroidissement énergique de la cathode par un fluide cryogénique devient aisé. Une telle disposition était théoriquement possible avec les dispositifs de l'art antérieur, mais en pratique difficilement réalisable, car la puissance dissipée était trop importante. Naturellement, liutilisation d'un getter est toujours possible avec le dispositif de l'invention, soit au niveau'de l'anode, soit en tout autre point. De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels - la figure 1-représente une coupe longitudinale et schématique du dispositif de l'invention, - la figure 2 illustre les moyens de polarisation et d'alimentation des différents éléments constituant le dispositif, - la figure 3 est une courbe universelle de variation de la sensibilité et de la vitesse de pompage du dispositif de l'invention, en fonction de la position de l'émetteur d'électrons, - la figure 4 représente deux courbes de variation de la sensibilité et de la vitesse de pompage en fonction du courant électronique. Le dispositif représenté sur la figure 1 comprend une cathode cylindrique 2 à l'intérieur de laquelle sont disposés une grille métallique 4,un ou plusieurs tirants 5 supportant deux plateaux 6 et 8 munis respectivement en leur centre de pièces isolantes 7 et 9 qui soutiennent, par ses deux extrémités une anode filiforme 1Q. Un filament thermo-émissif 12 est disposé à proximité du plateau inférieur 8. L'ensemble est disposé sur une bride 14 percée d'ouvertures permettant le passage de connexions électriques isolées respectivement 16 pour le filament émissif, 16 pour l'anode, 20 pour les plateaux 6 et 8 (supposés au même potentiel) et 22 pour la grille. Un matériau getter 23 peut être disposé sur l'anode 10. Le cylindre constituant la cathode comprend une double paroi ménageant un espace annulaire 24 dans lequel peut circuler un fluide cryogénique introduit par un conduit d'entrée 26 et évacué par un conduit de sortie 28. L'ensemble est muni d'une bride de fixation 30 qui s'adapte à une bride analogue 32 solidaire de l'enceinte de travail 34. L'anode 10 possède un diamètre suffisant pour offrir une bonne rigidité et une longueur d'environ trois fois la dimension transversale de l'appareil. Il est possible d'utiliser deux anodes faiblement excentrées situées dans un même plan diamétral. Le plateau supérieur 6 est de préférence constitué par une grille métallique outrant une bonne transparence aux gaz. Le plateau inférieur peut être plein. L'émetteur d'électrons 12 est en général disposé à une distance de l'anode comprise entre le quart et la moitié du diamètre de la grille 4. Cet émetteur peut être constitué par un filament de tungstène, de diamètre minimum 0,2mm, chauffé par effet Joule. Il peut revêtir différentes formes et, comme illustré, comprendre une tige 40 dSamenée de courant, qui sert en même temps d'écran entre ]e filament et l 'anode. La grille 4 n'est pas indispensable et elle peut entre omise, notamment dans l'application au pompage ionique. Lorsque cette grille polarisée est présente, une efficacité remarquable est obtenue lorsque son diamètre est légèrement inférieur à celui de la cathode, l'enfouissement des ions dans le maté riau getter déposé sur la cathode étant alors amélioré. Quant au matériau getter utilisé éventuellement dans le dispositif, il va de soi qu'il pourrait être disposé ailleurs que sur l'anode, comme illustré, et notamment; sur la grille 4 auquel cas il serait soumis au bombardement ionique et non plus électronique, ou en tout autre endroit pourvu qu'il soit associé à un moyen de chauffage. Le schéma de la figure 2 illustre schématiquement les moyens de polarisation et d'alimentation des différents éléments du dispositif de l'invention. La cathode est reliée au potentiel de la terre ; les plateaux 6 et 8 sont tous deux portés à un potentiel Vp à l'aide d'une source 40 et l'anode à un potentiel positif VA (de l'ordre de la dizaine de kilovolts] à l'aide d'une source 42, l'émetteur d'électrons 12 est polarisé à l'aide d'une source 44 à un potentiel VS et il est alimenté en courant alternatif ou continu par une source 46. Le courant ionique I est mesuré par un ampèremètre 43, et le courant électronique I par un ampèremètre 45. Le fonctionnement du dispositif représenté par les figures 1 et 2, est globalement le même que celui des dispositifs "orbitron" de l'art antérieur. Néanmoins, comme indiqué plus haut, le présence des plateaux d'extrémité 6 et 8 supprime les effets de bout d'anode et améliore l'efficacité du dispositif. En outre, certaines particularités de fonctionnement apparaîssent qui vont maintenant être exposées dans le but de préciser les conditions de mise en oeuvre du dispositif. On s'intéressera principalement à deux caractéristiques de fonctionnement qui sont la sensibilité C et la vitesse de pompage S. Ces caractéristiques sont définies par les relations suivantes où P est la pression régnant dans le dispositif. Les quantités C et S sont des fonctions des paramètres géométriques d'une part, et des paramètres électriques d'autre part. Parmi les paramètres géométriques, on trouve le rayon de la cathode R , qui sert de référence, la longueur LA de l'anode, le rayon RA de cette m8me anode, la position de l'émetteur d'électrons repérée par la distance R à l'axe et la distance h du centre de l'émetteur comptée à partir du plateau d'extrémité le plus proche Parmi les paramètres électriques, on trouve la tension d'anode VA, la tension V des p plateaux d'extrémité et la tension V8 de polarisation de l'émetteur. La pression P qui règne dans l'appareil semble, d'après les travaux du demandeur, n'avoir que peu d'influence sur la sensibilité et la vitesse de pompage.Dans ce qui suit, elle est supposée située entre 10 torr et 10 torr. Un premier résultat obtenu par l'inventeur concerne les variations de C et de S en fonction de R, distance de l'émetteur d'électrons à l'axe. La courbe de la figure 3, tracée en unités relatives par rapport au maximum atteint, montre comment varient ces grandeurs avec R, les autres grandeurs VA, VB, Vp, h et I@ étant maintenues constantes. La courbe obtenue présente un maximum accentué pour une valeur particulière R0. L'inventeur a trouvé, de façon plus précise, que les différentes grandeurs en cause étaient reliées entre elles par une relation de la forme ou R0 est la position radiale de l'émetteur d'électrons correspondant au maximum de sensibilité et de vitesse de pompage et k une fonction des cinq paramètres VB, VA, Vp, h et I@. La dépendance de k à l'égard de V A est simple puisqu'il s'agit d'ne relation de proportionalité inverse. Mais à l'égard des autres paramètres, la dépendance est plus complexe et il faut distinguer le cas où le courant électronique est faible du cas où il est fort a] - A faible intensité tout d'abord, c'est-à-dire, pratique ment, pour des valeurs de I de l'ordre de 500 pA, k dé croit linéairement avec V pour VA et h constants. P A La fonction k peut être mise sous la forme : avec a'-&num; -1,8, b' -= - 0,5, a = 0,2 et b = 0,15. Pour le fonctionnement en jauge à ionisation, qui correspond à ces courants faibles, on préconise alors les valeurs suivantes La valeur prise par l'efficacité C est alors de l'ordre de 107000 Torr 1 pour une tension d'anode de 5 kV. b) - A forte intensité maintenant, c'est-à-dire pour des valeurs de I de l'ordre de quelques milliampères, une étude expérimentale a été effectuée par l'inven teur en maintenant le paramètre V/VA à la valeur 0,04 indiquée précédemment. Il a été trouve que, dans cette zone, la quantité LogR0 varie linéairement avec V , tant que ce paramètre reste inférieur à V. Aux fortes valeurs de l'intensité I apparaissent des écarts par rapport à la -linéarité et ceci d'autant plus rapidement que h est faible. Les différents résul tats obtenus par l'inventeur permettent d'écrire la fonction k sous la forme avec n = 2/3, a2= 9, a3 = 0,25, b3 0,2 et k2 H -1,4 pour I supérieur à 10 mA. Pour un fonctionnement en pompe ionique qui correspond à ces valeurs du courant électronique, on préconise donc une utilisation dans les conditions suivantes La figure 4 représente, en unités arbitraires, deux courbes de variations de la sensibilité C et de la vitesse de pompageS, en fonction de l'intensité électronique et résume les résultats obtenus. La sensibilité du dispositif est une fonction décroissante de l'intensité alors que la vitesse de pompage ionique est une fonction présentant un maximum. Ce maximum a lieu pour un courant I de l'ordre de 30mA dans les conditions indiquées plus haut. La valeur de ce maximum dans le cas de l'air, est de l'ordre de 350 l/s à 10 torr. La valeur de VA permettant d'obtenir ces résultats est voisine de 10 kV. REVENDICATIONS 1. Dispositif du genre "orbitron" comprenant dans une enceinte à vide, une cathode cylindrique, à 1 térieur de laquelle sont disposés une anode filiforme axiale et un émetteur d'électrons, caractérisé en ce que le volume offert aux électrons est formé aux deux extrémités de la cathode par deux plateaux conducteurs polarisés, l'anode s'étendant d'un plateau à l'autre. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'un au moins des plateaux est transparent vis-àvis du gaz présent dans l'enceinte. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que lwun des plateaux est constitué par une grille, l'autre plateau étant plein et percé d'ouvertures permettant le passage de connexions électriques. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, entre l'anode et la cathode et dans une disposition coaxiale, une grille conductrice convenablement polarisée. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendicas tions 1 à 4, caractérisé en ce que l'anode est soutenue à ses deux extrémités par deux pièces isolantes solidaires des deux plateaux d'extrémité. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un matériau guetter. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le matériau getter est disposé sur l'anode. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendica tions 1 à 7, caractérisé en ce que la cathode présente une double paroi ménageant un volume annulaire dans lequel circu le un fluide cryogénique ou réfrigérant. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que) pour une utilisation en jauge à ionisation, les tensions V5 de polarisation du filament émissif et V A de polarisation d'anode, sont sensiblement dans le rapport VB/VA = 0,04, la tension Vp des plateaux d'extrémité est négligeable devant la tension d'anode VA, le filament est placé à une distance R0 de l'axe sensiblement égale à 0,64 R où R est le rayon de la cathode et la demi c c hauteur h du filament thermoémissif est sensiblement égale à 0,5 R c 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que, pour une utilisation en pompe ionique, le filament émissif est placé à une distance R0 de l'axe inférieur à 0,64 Rc, où Ro est le rayon de cathode.