Brevet FR2468203A1 — publié le 19810430

La présente invention concerne un appareil à décharge électrique, et pLus particulièrement, un appareil à décharge à arc comportant une cathode creuse. Ga cathode creuse d'un appareil à décharge à arc offre une grande longévité et peut produire un courant re- lativement intense entre elle et une anode de sorte qu' elle a été récemment utilisée dans des sources ioniques à haute puissance, des appareils à décharge à laser etc. Cependant, sa configuration ne permet pas facilement d'émettre des électrons de sa surface au moment du dé- clenchement d'une décharge, et une grande puissance élec- trique est nécessaire pour obtenir une décharge permanente après avoir provoqué une décharge initiale. Pour résoudre ce problème, il est de pratique courante de disposer un filament chauffant dans la cathode creuse et de chauffer préalablement cette cathode en mettant sous tension le filament afin que des électrons puissent être émis facile- ment au moment du déclenchement de la décharge. Mais, dans une cathode creuse comportant un filament, il n'est pas facile de chauffer la cathode pour émettre un grand nombre d'électrons thermiques et les ruptures du filament sont fréquentes. En outre, il faut un temps considérable pour que la cathode creuse soit suffisamment chauffée par le filament de manière à démarrer la décharge. GLinvention a donc pour objet de proposer un ap- pareil à décharge à cathode creuse avec lequel la décharge peut être produite facilement et le passage de la déchare initiaLe à la décharge permanente peut être obtenu de façon stable et sure. Un appareil à décharge selon L'invention comporte donc une enveloppe sous vide, une anode et une cathode creuse, ces électrodes étant disposées dans L'enveloppe sous vide, un dispositif destiné à alimenter un arc pour maintenir une décharge par arc entre l'anode et La cathode 3j creuse, un dispositif destiné à vider l'enveloppe, un dis- positif destiné à introduire un gaz à basse pression dans l'enveloppe par la cathode creuse, un dispositif destiné à restreindre le passage du gaz à basse pression introduit dans l'enveloppe par la cathode creuse afin de màntenir une pie ssion dans la cathode creuse supérieure à la pres- sion dans l'enveloppe et un dispositif destiné à produire une décharge dans la cathode creuse. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation d'un appareil à décharge à cathode creuse selon l'invention, la figure 2 représente schématiquement un autre mode de réalisation d'un appareil à décharge à cathode creuse selon l'invention, la figure 3 illustre un autre exemple de l'élec- trode 30 du mode de réalisation de La figure 2, la figure 4 représente schématiquement un autre mode encore de réalisation d'un appareil à décharge à cathode creuse selon L'invention, la figure 5 représente schématiquement un autre mode de réalisation d'un appareil à décharge à cathode creuse selon l'invention, et la figure 6 est une représentation schématique partielle d'une modification des modes de réalisation des figures 4 et 5. Ta figure 1 représente donc schématiquement un mode de réalisation d'un appareil à décharge selon l'in- ven3tion, destiné à constituer une source de production el'ions. Comme le montre la figure, une cathode creuse 2 et une anode cylindrique 4 sont disposées dans une enve- Joppe Ad sous vide, vidée par une pompe S. Une extrémité ouverte de la cathode creuse 2 estfermée par un disque 10 percé d'un orifice 12 et un gaz, par exemple de l'hydro- rène, sous une pression de quelques tores, est fourni par une source de gaz 7 à l.a cathode creuse 2 et il passe par l'orifice 12 vers L'enveLoppe sous vide u. La pres- sion du gaz dans la cathode creuse 2 est maintenue supé- rieure à la pression dans l'enveloppe sous vide 6. Par exemple, la pression du gaz dans la cathode creuse 2 est -1 maintenue entre 1 - et 10 torr- et-la pression du gaz dans l'enveloppe 6 est maintenue entre 10-2 et 10-4 torr. La cathode creuse 2 est faite d'un métal réfractaire, par exemple en tungstène, en tantale ou en molybdène et elle comporte sur sa surface intérieure un émetteur d'électrons d'une matière à faible fonction de travail, par exemple LaO ou Lals b. Une source d'alimentation d'arc 14 pour la décharge, un commutateur d'alimentation 15 et une résis- tance lu destinée à limiter le courant de décharge entre l'anode 4 et la cathode creuse 2 sont connectés en série entre l'anode cylindrique 4 et la cathode creuse 2. D'une façon générale, une tension suffisamment inférieure à la tension de décharge déterminée par la loi de Paschen est appliquée au moment du déclenchement de la décharge entre la cathode creuse 2 et l'anode 4 par la source d'alimen- tation 14, par le commutateur 15 qui est fermé à ce mom- ment. Selon l'invention, la cathode creuse 2 contient un dispositif l'amor, a de de décharge qui produit un grand nombre d'électrons produisant une décharge entre la catho- de et l'anode. La raison d'être de ce dispositif est la suivante. Selon la loi de Paschen, la tension nécessaire pour provoquer une décharge est d'autant plus basse que la pression du gaz dans lequel la décharge doit se faire est plus éLevée, et qui est inférieure à une valeur pré- déterminée. Etant donné que la pression du gaz dans la ca- thode creuse 2 est maintenue au-dessus de la pression dans le volume entre la cathode creuse et l'anode 4 par l'ori- fice 12, la tension élevée nécessaire pour provoquer la décharge dans la cathode 2 est plus basse. Autrement dit, une décharge intérieure peut être provoquée dans la ca- thode creuse 2 sans nécessiter une tension très élevée. La d6lcharoe intérieure provoquée dans la cathode creuse 2 produit un plasma qui diffuse dans l'enveloppe 6 et qui entraine une décharge entre la cathode creuse 2 et l'anode 4. Dans le mode de réalisation de la figure 1, ce dispositif d'amorçage de décharge consiste en un fila- mnent chauffant lP,. Ce filament l1 est connecté entre deux tiffes 20 et 22 qui sont isolées électriquement de la cathode 2 et qui sortent à l'extérieur. Une source d'alimentation 24 qui fournit un courant de chauffage au filament L est connectée entre les deux tipes 20 et 22. L'une des tiges 20, 22 est connectée par un commu- tateur d'allumage 2(; à la borne de polarité négative de la source d'allumage 2P et la cathode creuse 2 est con- nectée à la borne de polarité positive de cette source 29. Dans ce mode de réalisation, le courant de chauf- fage est fourni par la source de chauffage 24 au fila- ment 1R et la surface intérieure de la cathode creuse 2 est chauffée par le filament 18 de manière à émettre facilement des électrons. Quand le commutateur 2( est fermé sans qu'aucun gaz ne soit introduit dans la ca- thode creuse 2, le filament 12 émet des électrons. Ces é]ectrons bombardent la surface intérieure de la cathode creuse 2 et l'échauffentdonc. La puissance de la source de chauffage 24 peut donc être relativement réduite. lorsque la source de gaz 7 fournit un gaz à la cathode creuse 2, avec le commutateur 26 maintenu fermé, un arc de décharge s'amorce entre la cathode creuse 2 et le filament 19. Le plasma qui se produit dans la cathode 2 diffuse vers l'anode 4 en passant par l'orifice 12' Il en résuLte qu'un arc de décharge est déclenché à coup sur entre la cathode creuse 2 et l'anode 4, avec le commutateur 26 maintenu fermé, si la tension de la source 14 d'talimentation d'arc est inférieure à la ten- sion de rupture déterminée par la pression du gaz entre l'anode 4 et le disque 10. Lorsqu'elle est déclenchée entre la cathode creuse 2 et l'anode 4, la décharge se maintient mmne s:. le commutateur 2;, est ouvert. Pour que le déclenche- ment d'un arc de décharge soit plus sur, la pression du ag;z dans la cathode creuse 2 peut ttre élevée par introduction d'un gaz dans cette cathode, le débit du gaz au démarrage étant supérieur au débit pendant les autres périodes. Par ailleurs, si le bombardement par les électrons n'est pas effectué sur la cathode creuse 2 et si la source d'amorçage 28 est utilisée uniquement pour dé- clencher un arc, les polarités de la source d'amorçage 28 peuvent tre inversées par rapport à celles représen- tées sur la figure 1. o10 La figure 2 illustre un autre mode de réalisation d'un appareil à décharge selon l'invention qui sera main- tenant décrit. Dans Le mode de réalisation de la figure 2, une électrode 30 en forme de disque est disposée à l'in- térieur de la cathode creuse 2 au lieu du filament chauf- fant 18 du mode de réalisation de la figure 1. Contraire- ment au précédent mode de réalisation, dans le présent cas, la cathode creuse 2 est connectée à la borne de pola- rité négative de la source d'anorçare 28 tandis que l'élec- trode 30 en forme de disque est connectée par une tige 32 qui la supporte et le commutateur d'amorçage 26 à la borne de polarité positive de la source 28. Dans ce mode de réa- lisation, quand le commutateur 26 est fermé, une tension d'amorçage de décharge est appliquée entre la surface in térieure de la cathode creuse 2 et la surface intérieure de l'électrode 30 en forme de disque, par la source d'amor- çaFe 28 pour provoquer une décharge, c'est-à-dire pour provoquer l'émission d'électrons par la surface intérieure de la cathode creuse 2, ces électrons se dirigeant vers l'électrode 30 qui est maintenue à un potentiel positif. Cette décharge dans la cathode creuse 2 est provoquée par une tension inférieure à celle qui est appliquée entre l'anode 4 et la cathode creuse 2, selon la loi de Pasohen déjà mentionnée. De l'hydroeène est introduit dans la cathode creuse 2. Quand la pression du gaz dans la cathode 2 atteint une valeur de l'ordre de O10 toir, une dé- charge par effluve se produit dans la cathode entre l'éLectrode 3Oet les surfaces intérieures de la cathode 2 et du disque 10. Il en résulte qu'un plasma est produit dans la cathode creuse 2. La surface intérieure de la cathode 2 et la surface intérieure du disque O10 sont fortement chauffées par le bombardement ionique, suffi- samment pour émettre des électrons. Quand le plasma de- vient suffisamment dense, il diffuse vers l'anode 4 par l'orifice 12 de sorte qu'une décharge par arc se produit entre la cathode creuse 2 et l'anode 4. Quand la décharge entre la cathode 2 et l'anode 4 est stabilisée, elle ne s'interrompt plus même si le commutateur 20 est ensuite ouvert. Le disque 30 du mode de réalisation de la figure 2 peut ttre remplacé par un cylindre 33 représenté sur la figure 3 ou par une pièce de forme différente. En outre, pour faciliter l'émission des électrons par la cathode creuse 2, c'est-à-dire pour faciliter la décharge entre le disque 30 ou le cylindre 33 et la cathode creuse 2, un émetteur électronique de faible fonction de travail, par exemple contenant de l'oxyde de baryum, peut recouvrir la surface intérieure de la cathode creuse 2. res figures4,5 et 6 illustrent d'autres modes de réalisation. Dans ces modes de réalisation, le disque 10 comportent l'orifice 12, est réalisé en un métal conduc- teur et il est monté sur une extrémité ouverte de la ca- thode creuse 2 par l'intermédiaire d'une bague isolante 34 d'une matière susceptible de résister aux hautes tem- pératures, par exemple ennitrure de bore BN. Pour éviter la dissipation de chaleur depuis la cathode creuse 2 vers l'extérieur, cette cathode est placée dans un carter 36 d'isolement thermique, en en étant isoléeélectriquement. Ie carter 36 d'isolementthermique est réalisé en un métal conducteur de l'électricité et il est connecté au disque 10. De préférence, un fiLament chauffant 38 destiné à chauffer 1.lacathode 2 est disposé sur la périphérie exté- rieure dc cette dernière. En outre, dans Le mode de réa- Lisation rle la firure 4, La cathode creuse 2 est faite d'une matière émettant des électrons susceptible d'émettre facilement des électrons. Deux tiges 21 et 23 d'alimenta- tion reliées au filament 38 et sortant du carter 36 vers l'extérieur, sont connectées à la source de chauffage 24. La cathode creuse 2 est supportée par une bague 41 fixée sur un cylindre 42 en métaL conducteur dans le carter-3o en en étant isolée, et elle est connectée électriquement par la bague support 41 et un cylindre 42 en métal conduc- teur à la borne de polarité négative de la source d'amor- çage 28 ainsi qu'à la borne de polarité négative de la source 14 d'alimentation d'alrc. Le carter 3o est connecté par une résistance 44 et un commutateur d'amorçage 20 à La borne de polarité positive de la source d'amorçage 28. ie carter 30 comporte un tube d'arrivée de gaz destiné à introduire du gaz à basse pression dans la cathode creuse 2. Dans le mode de réalisation de la figure 5, l'électrode en disque 46 est disposée dans la cathode creuse 2 et elle est connectée par une tige 45 qui la supporte et une ré- sistance 4R aux bornes de polarité négative des sources 2R et 14 d'amorçare et d'alimentation d'arc. De préférence, une couche 47 d'émission d'électrons est prévue sur la surface de l'électrode en disque 46. Il est possible de remplacer l'électrode 40 du mode de réalisation de la fi- rure 5 par une électrode d'une autre forme. Dans ce mode de réalisation, contrairement à celui de la figure 4, l'électrode 46 peut être positionnée par rapport au disque 10 et être ainsi située dans une position prédéterminée, dans laquelle la tension d'amorçage de décharge déterminée par la Loi de Pasohen est minimale. La cathode creuse 2 peut 9tre faite d'une matière émettant des électrons comme dans le mode de réalisation de la figure 4. Dans les modes de réalisation des figures 4 et 5, la décharge est provoquée entre le disque 10 et la cathode creuse 2 ou l'électrode 46 et peut être convertie avec sécurité en une décharge entre la cathode creuse 2 et l'anode 4. PLus particulièrement, La cathode creuse 2 est chauffée par le filament 38 qui La fait passer dans un état susceptible d'émettre facilement des électrons et, par la fermeture ultérieure du commutateur 2o, une déchar- ge peut être facilement provoquée entre le disque 10 et la cathode creuse 2 ou l'éLectrode 40. Cette décharge produit un plasma dans l'électrode creuse 2 qui en chauffe La surface intérieure. Quand le commutateur 15 est fermé une haute tension est appLiquée entre la cathode creuse 2 et l'anode 4 et une décharge par arc est produite entre ces électrodes et se stabilise. La figure 6 illustre une variante de l'appareil à décharge selon l'invention, qui ne diffère des modes de réaLisation des figures 4 et 5 que par le fait qu'un second orifice 49 est prévu. Le second orifice 49 est un trou percé dans l'isolant 34 situé entre'une-extrémité de La cathode creuse 2 et Le disque 10 conducteur de l'électricité. L'isolant 341 est fait d'une matière résis- tant aux hautes températures, par exemple A1 203 ou iiN. En raison des deux orifices 12 et 49, la résistance au gaz qui passe dans la cathode creuse 2 et l'enveloppe vers la pompe R augmente, ce qui augmente la pression du gaz dans la cathode creuse 2 mêrme si un gaz lui est fourni avec le m9me débit. En outre, étant donné que l'orifice 49 est délimité par l'isolant 34, le champ élec- trique produit par Le disque 10 peut pénétrer facilement dans la cathode creuse 2 par l'isolant 34. Cela facilite l'amorçage d'un arc de décharge. Dans tous les modes de réalisation des figures 1 à 6, l'arc de décharge peut déclenché plus facile- ment et plus surement si un gaz est fourni par la source à la cathode creuse avec un débit plus élevé au début de l'écoulement, puis avec un débit plus bas lorsqu'une décharge stable est maintenue. e gaz fourni par la source de gaz n'est pas limité à L'hydroene. D'autres gaz, par exemple des g.az rares et des vapeurs métalliques peuvent aussi convenir. Comme ceLa a été expliqué ci-dessus, et selon L'invention, une décharge est d'abord provoquée dans la cathode creuse dans laquelLe cette décharge peut être facilement provoquée, puis la décharge est déclenchée entre la cathode creuse et l'anode. Il est ainsi possible d'obtenir des décharges permanentes avec sécurité sans imposer une grande puissance au moment du démarrage. bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux modes de réalisation décrits et illustrés à titre d'exemples nullement limita- tifs sans sortir du cadre de L'invention. IEVENDI CATIONS 1 - Appareil à décharge électrique, caractérisé en ce qu'il comporte une enveloppe sous vide (o), une anode (4) et une cathode creuse (2) disposées dans la- dite enveloppe sous vide, uln dispositif (14) destiné à fournir une tension d'arc pour maintenir une décharpe par arc entre ladite anode et ladite cathode creuse, un dispositif (R) pour mettre ladite enveloppe sous vide, un dispositif (7) destiné à fournir du Faz à basse pres- sion dans Ladite enveloppe en passant par ladite cathode LO creuse, un dispositif (12) destiné à restreindre le pas- sape du -az à basse pression de ladite cathode creuse vers Ladite enveloppe de manière à maintenir la pression du gaz dans ladite cathode creuse plus élevée que la pression du paz dans ladite enveloppe, et un dispositif destiné à provoquer une décharpe dans ladite cathode creuse. 2 - Appareil selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que le dispositif fournissant du gaz délivre le raz avec un débit plus élevé au début de sa fourniture, puis ensuite avec un débit faible pendant une décharge stable. 3 - Appareil selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que Ledit dispositif produisant une décharpe comporte un filament chauffant (12) dans ladite cathode creuse et isolé de cette cathode, un dispositif (24) qui fournit un courant de chauffage audit filament et un dis- positif (2R) qui fournit une tension d'amorçae entre la- dite cathode creuse et ledit filament pour produire une décharge entre ladite cathode creuse et ledit filament. 4 - Appareil selon la revendication 3, caractéri- sé en ce que ledit dispositif (2Xq) fournissant une ten- sion d'asinorça.e applique une tension positive à ladite cathode creuse. - Appareil selon la revendication 1, caractéri- 3 s en ce que ledit dispositif produisant une décharre comnporte une électrode (30, 33) disposée dans ladite ca- thode creuse et un dispositif (28) qui applique une tension d'amorçape entre ladite électrode et ladite ca- thode creuse pour provoquer une décharge entre ladite électrode et ladite cathode creuse. b - Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite électrode (30) a la forme d'un disque. 7 - Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite électrode (33) a la forme d'un cylindre. P - Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que Ledit dispositif (29) qui fournit une tension d'amorçàpae applique une tension positive à ladite élec- trode. 9 - Appareil selon La revendication 1, caractérisé # en ce que ladite cathode creuse (2) est faite d'une ma- L5 tière qui émet des électrons. - Appareil selon ta revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif qui restreint le passage du gaz consiste en une plaque conductrice(lO) placée sur une extrémité ouverte de ladite cathode creuse et comportant un orifice (12), ledit dispositif produisant une décharge comportant un dispositif (28) qui délivre une tension d'amorçage appliquée entre ladite plaque conductrice et la surface intérieure de ladite cathode creuse pour pro- voquer une décharge entre ladite plaque conductrice et la- dite cathode creuse. 11 - Appareil selon la revendication 10, caractéri- sé en ce que ladite cathode creuse (2) est faite d'une ma- tière qui émet des électrons. 12 - Appareil selon La revendication 10, caractérisé en ce que ledit dispositif (2R) qui produit une tension d'amorçage applique une tension positive à ladite plaque conductrice (îO). 13 - Appareil selon la revendication 1, caractéri- sé en ce qu'il comporte en outre un écran thermiqoe (38) sur la surface extérieure de ladite cathode creuse afin de réduire au minimum la dissipation de chaleur par la- dite cathode creuse. 14 - Appareil selon la revendication 10, caractéri- sé en ce qu'il comporte en outre un filament chauffant (3T) sur la périphérie extérieure de ladite cathode creuse pour La chauffer, et un dispositif (24) qui fournit un courant de chauffage audit filament. Appareil selon La revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif qui restreint le passage dudit Faz consiste en une plaque conductrice (10) placée sur une extrémité ouverte de ladite cathode creuse et comportant un orifice (12) ledit dispositif produisant une déchar.ge comportant une électrode(30, 33) disposée à l'intérieur de ladite cathode creuse et un dispositif (2R) qui fournit une tension d'amorçage entre ladite plaque conductrice et ladite électrode pour produire une décharge entre ladite plaque conductrice et ladite électrode. 16 - Appareil selon la revendication 15, caractéri- sé en ce que ladite électrode (30, 33) porte une couche émettrice d'électrons sur sa surface. 17 - Appareil selon la revendication 15, caracté- sé en ce que Ledit dispositif (2S) fournissant une tension d'amorçage applique une tension positive à ladite plaque cond uctrice. 19 - Appareil selon la revendication 15, caracté- risé en ce qu'il comporte un écran thermique (3o) à la pé- ripliérie extérieure de ladite cathode creuse (2) pour ré- duire au minimum la dissipation thermique de ladite catho- de creuse. L9 - Appareil selon la revendication 15, caracté- risé en ce qu'il comporte en outre un filament chauffant (3s) sur la périphérie intérieure de ladite cathode creuse (2) pour la chauiffer, et un dispositif (24) fournissant un courant de chauffage audit filament chauffant.