Brevet FR2472264A1 — publié le 19810626

Dispositif pour produire des faisceaux d'électrons destinés à durcir une couche de matière. L'invention a pour objet un dispositif pour produire des faisceaux d'électrons du type comportant une cathode émettrice d'électrons, en vue de durcir en général une surface ou une couche de surface, notamment une couche de surface visqueuse, de préfê- rence une couche de surface réalisée par impression, par exemple une couche colorée. Le durcissement mentionné, c'est-à-dire le durcissement par l'action de faisceaux d'électrons résulte de la polymérisation d'un liquide provoquée par le rayonnement au moyen de réactions en chaine des radicaux libres. Le liquide devant être durci est presque toujours une matière synthétique, par exemple un composé acrylique. Une couche devant être durcie peut aussi être constituée, par exemple, par une couche de vernis ou une couche isolante. La couche à durcir est généralement une couche de surface, mais peut aussi être une couche intermédiaire; une telle coucihe est notamment relativement mince. Le produit ou la matière à durcir est en gJénéral déplacé pendant l'irradiation, le déplacement étant perpendiculaire à la direction des faisceaux d'électrons. Un di sposi tif du type i udiqué dans le préambule.est connu d'après le document: "Technical Paper FC 75-311 de S.M.E.: Society of Manufacturing Engineers", 20 501 Ford Road, Dearborn, Michigan 18 128, U.S.A. Ce document traite dlu Aurcissement d'une couche de surface constituée par un liquide visqueux comprenant un système mono- mère-polymère tel que l'uréthane. Une telle couche est réalisée notam- ment par impression d'une bande de papier. La couche est durcie parce que l'énergie des électrons produit en son sein des radicaux libres dé- clenchant ou provoquant la polymérisation du système et propageant cette polymérisation. Le dispositif connu est constitué par un tube cathodique à haute tension, de forme cylindrique, mis sous vide. La cathode est constituée par un fil métallique disposé suivant l'axe longitudinal du tube. Le flux d'électrons se présente sous forme d'un rideau. Il est accéléré en direction radiale à travers le volume sous vide du tube vers une fenêtre métallique du tube permettant le passage des électrons. A travers cette fenêtre, le flux d'électrons arrive dans l'air ambiant et pénètre finalement dans la couche de surface mentionnée. -2 - Ce dispositif connu présente plusieurs inconvénients. La libération des électrons a lieu par chauffage de la cathode. Il se produit alors des températures très élevées (jusqu'à 2 2270C), qui provoquent des pertes par rayonnement et conduction ther- miques. Ces pertes nuisent au-rendement de production des électrons. La température et la puissance de chauffage élevées sont nécessaires à cause de lapuissance de sortie élevée du métal du fil. En outre, les défauts d'homogénéité du métal du fil peuvent poser des problèmes en ce qui concerne l'uniformité de l'émission des électrons (rayonnement). Des avantages résultent de la construction très compacte, de la faible dépense en écrans de protection et de l'indépendance de la hauteur constructive vis-à-vis de la largeur du produit à durcir. D'après le document imprimé mentionné pré- cédemment, on connait également, dans le même but, un tube accélérateur sous vide comportant une cathode ponctuelle. Les faisceaux d'électrons provenant de cette cathode sont déviés sur la largeur de la couche superficielle. Il est alors avantageux, entre autres, que la dépense de chauffage soit relativement faible et que la température de la cathode soit relativement basse. Ce dispositif présente les incGnvénients suivants: il présente un grand volume à protéger par des écrans et il a une hauteur plusieurs fois supérieure à celle du dispositif mentionné en premier lieu. On doit en outre veiller, par des dispositions élec- troniques ou optiques et électroniques, à ce que les faisceaux d'élec- trons soient constamment focalisés sur le produit ou la matière à dur- cir. Par suite de sa grande hauteur constructive et des dispositions de commande supplémentaires, le dispositif est onéreux, difforme et mal- commode. La tension d'accélération est plus élevée que dans le cas dé- crit précédemment et atteint plusieurs centaines de kilovolts. Il y a encore une autre possibilité pour détacher des électrons à partir de métaux. Il s'agit de la production d'électrons par émission froide. L'apparition de l'émission froide est liée à des intensités de champ élevées désignées par u/r (u = tension, r = rayon de courbure). Pourplusieurs raison techniques, les tensions élevées ne sont pas économiques. On utilise donc de faibles rayons pour obtenir des intensités de champ élevées. - 3 _ Tel est également le cas pour les cathodes froides à film mince connues d'après le document "Journal of Applied Physics" Vol. 47, no 12, Déc. 1976, pages 5 248 à 5 263, Copyright 1976 American Institute of Physics, U.S.A. La totalité de la surface de la cathode recouvre, par exemple, un carré de 0, 25 mm de côté. La cathode comporte trois couches. La couche inférieure (substrat, sous-couche) est en silicium électronique de conductibilité élevée et a une épaisseur de plusieurs dixièmes de millimètres. Elle est oxydée sur sa face supé- rieure, ce qui constitue la couche médiane en bioxyde de silicium. Cette couche est isolante, c'est-à-dire qu'elle ne conduit pas l'électricité. Son épaisseur est de 1,5 p environ (1 p = 0,001 mm). La couche supérieure a une épaisseur de 0,4 p environ; elle est réalisée en un métal appro- prié, notamment en molybdène, et est donc électriquement conductrice. Dans cette couche, on réalise, par attaque chimique, cent trous régulié- rement répartis et présentant sensiblement le même diamètre. Dans di- verses réalisations, ce diamètre est compris entre 1 p et 3 p. Par atta- que chimique de la couche médiane avec un autre agent traversant ces trous, on réalise des cavités inférieures allant jusqu'à la surface su- périeure de la couche inférieure. Par métallisation électronique, on réalise dans chacune de ces cavités, sur la surface qui vient d'être mentionnée, un cône en un métal appropriés, notamment En wolybdène, le sommet ou pointe de ce cône se trouvant dans le domaine du trou. La cathode comporte des cônes ou cathodes élémentaires t,és, rapprochés. Il est prévu trois cat',Ius de ce type, disposées dans un tube sous vide, c'est-à-dire dans un tube d'essai de durée de vie, sur une petite pièce de tête en face de la face frontale d'une électrode collectrice en cuivre en forme de barre. Le sommet de chaque cône présente un rayon de courbure r très faible de 500 environ. Par cette disposition et avec une électrode d'accélération disposée près de ce sommet, le fonctionnement de la cathode est possible avec une faible tension d'attraction. Pour le molybdène, cette tension est sen- siblement comprise entre 100 Volts et 200 Volts. Les courants permanents des cônes individuels sont élevés et compris entre 50 pA et 150 p A. La densité de courant correspondante peut aller jusqu'à 12 A/cm2 environ. Tout ce qui précède, concernant la produc- tion d'électrons par émission froide et les cathodes froides à film mince, n'est pas connu en liaison avec le durcissement par électrons. 24722.64 4- L'invention a pour but d'agencer le dispo- sitif mentionné dans le préambule pour réduire le plus possible la dé- pense de chauffage et la température de la cathode ainsi que la hauteur constructive. On se propose'en outre d'éliminer d'autres inconvénients mentionnés des deux dispositifs connus cités en premier lieu ainsi que de permettre une-amélioration du durcissement. L'invention concerne à cet effet un dispo- sitif du type ci-dessus caractérisé en ce que la cathode est une cathode froide à film mince comportant un grand nombre de cônes émetteurs d'électrons. Il s'agit par conséquent de la mise en application des cathodes froides à film mince pour le durcissement par faisceaux d'électrons. Les cônes ou cathodes élémentaires sont alors disposés sur une surface ou une longueur et une largeur convenant pour ce durcissement. L'invention constitue un moyen parfait pour améliorer le dispositif, l'émission et le durcissement. La faible tension de drai- nage régnant sur l'électrode d'accélération et la grande densité des cathodes permettent une émission três stable. La faible tension de drai- nage permet également une très longue durée de vie de la cathode et une faible sensibilité vis-à-vis des effets ionisants dûs au jaz résiduel environnant. Il ne se produit pas de perte par raynrie-nemnt et conduc- tion thermiques. Il n'y a aucun chauffage et donc aucune perte par déga- gement de chaleur.; Le rendement de production d'électrons est donc plus élevé. Il s'agit d'une cathode froide. Le iips-itif peut être réa- lisé avec une hauteur constructive réduite et indépendante de la largeur du produit ou de la matière à durcir. La construction est compacte et peut être réalisée sans grande dépense d'écrans et d'organes de commande. Il n'y a pas de défaut d'homogénéité du métal d'un fil. On peut obte- nir une grande régularité de la production des électrons parce que tous les cônes ou cathodes élémentaires peuvent être de réalisation pratique- ment identique. En raison du grand nombre des cathodes élémentaires, la capacité de production des-électrons est suffisamment grande pour le durcissement. Il n'est pas nécessaire que la densité des cathodes soit aussi grande que dans le cas mentionné précédemment. Il y a, par exemple, 700 à 2 000 cônes sur une surface de 1 000 mm2. En outre, avec ce grand nombre de cathodes élémentaires, la-défaillance de quelques cônes individuels n'entraîne pas de panne de l'ensemble de la production - des électrons et il n'y a pas d'arrêt de l'installation de durcissement, par exemple pendant l'impression. Le grand nombre des cathodes élémen- taires permet également d'obtenir l'amélioration désirée du durcissement. En effet, on peut adapter de façon très précise, par la disposition des cathodes, la répartition des électrons sur le produit à durcir aux caractéristiques cinétiques de réaction de la matière. On peut réaliser, par exemple, une irradiation uniforme, non uniforme, symétrique ou asymé- trique. Des dispositions indiquées dans la suite permettent d'obtenir des modes de réalisations avantageux et des perfec- tionnements du dispositif conforme à l'invention: Des dispositions à recommander particuliè- rement sont caractérisées en ce que a) - la cathode froide à film mince est allongée; b) - les cônes de la cathode allongée froide à film mince sont disposés dans un plan. La cathode est en général horizontale. On produit ainsi un faisceau d'électrons en rideau, notamment pour le durcissement d'un produit ou d'une matière ayant sensiblement la largeur de ce rideau. Dans le cas o les cônes de la cathode allongée froide à film mince sont disposas dans un plan) la dépense rela- ive à la commande peut alors être tres faible. Dans le cas qui vient d'être cité, ou bien dans le cas o la cathode allongée froide à film mince est constituée par des unités plates allongées se succédant en direction longitudinale, la fabrication de la cathode allongée peut alors être relativement simple. Les unités allongées et plates telles que plaquettes, bandes ou similaires se succèdent alors généralement sans cordon d'assemblage et en liaison étroite. Il peut être avantageusement prévu que lesdites unités ont, au moins pour la plus grande partie d'entre elles, la même longueur comprise entre 60 mm et 90 mm, toutes les unités ayant la même largeur comprise entre 5 mm et 20 mm. Avec ces dimensions, la cathode convient en pratique notamment pour le durcissement d'une cou- che disposée sur une bande de papier ou un élément similaire. - 6- Suivant un autre mode de réalisation, la cathode allongée froide à film mince est disposée sur un support céramique s'étendant suivant sa longueur. La cathode est ainsi rendue robuste et résistante à la fatigue par le support, tel que barre. -5 Le support peut avoir une section en dépouille et les unités mentionnées sont introduites dans le profilé correspondant. Il peut aussi s'agir d'une barre ou d'une tige en matière céramique et d'une couche de silicium continue en longueur fixée sur la barre ou la tige, les deux autres couches mentionnées et les cônes étant-prévus sur cette couche. Suivant un autre rmode de réalisation, la densité des cônes ou cathodes élémentaires est variable dans la direction du mouvement du produit à durcir en fonction des caractéris- tiques cinétiques de réaction de ce produit. Les densités de cônes ou de cathodes différentes prédéterminent pour le faisceau ou le rideau d'électrons une distribution différente correspondante des électrons dans la direction de déplacement-du produit à durcir. On intervient donc ainsi intentionnellement sur la cinétique de réaction de ce produit ou de cette matière. Cette distribution des électrons nput, par exemple, être une distribution de Gauss, symétrique ou asymétrique, une distribu- tion rectangulaire ou une distribution triangulaire. Les différences de densité mentionnées pour les cônes ou les cathodes peuvent être fortes. Dans le cas de la cathode allongée, le sens de déplaC-.3",2nt mentionné est perpendiculaire à la direction lonîgirudinale de cetce cathode. Suivant un autre mode de réalisation, des électrodes de commande latérales en forme de bandes dont les surfaces se font face et qui sont disposées parallèlement à la cathode allongée froide à film mince sont disposées entre cette cathode et une fenêtre de sortie des électrons pour empêcher ou réduire la divergence des fais- ceaux d'électrons transversalement à la direction du mouvement du pro- duit à durcir. Avec ces moyens, on peut amener, suivant la largeur de la fenêtre de sortie des électrons mesurée dans la direction de dépla- cement transversale, le faisceau d'électrons àla largeur requise et ré- duire ou éviter la séparation dufaisceau d'électrons. L'invention sera mieux comprise en regard de la description ci-après et des dessins annexés représentant un exem- ple de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels -7 - - la Fig. 1 est une vue en coupe longitu- dinale de la partie médiane du dispositif; - la Fig. 2 est une coupe transversale du dispositif effectuée suivant la ligne II-II de la Fig. 1; - la Fig. 3 représente une cathode indivi- duelle en coupe transversale suivant la ligne II-II et à échelle forte- ment agrandie, avec une rotation de 180 dans le plan de figure par rapport à la Fig. 2; - la Fig. 4 représente une partie de la cathode en regardant dans la direction A.- Comme il ressort de la Fig. 1 et de la Fig. 2, le dispositif est constitué par un tube à faisceaux d'électrons cylindrique à disposition horizontale, ce tube étant destiné à produire des faisceaux d'électrons pour le durcissement électronique. Le vide règne dans le volume intérieur 21 de ce tube, c'est-à-dire à l'intérieur de l'enveloppe 22 du tube. La cathode est rectiligne et disposée paral- lèlement à l'axe longitudinal 25 du tube, un peu au-dessus de cet axe longitudinal 25. Il s'agit d'une cathode fr)ide à film mince 10. Elle présente une forme rectangulaire en coupe tYansversale I]-Il et com- porte un substrat céramique, c'est-à-dire un qiiport rerft:1igne allongé 11, ou barre en matière céramique de 2,'5 mir d'.patisseur environ. Sous ce support sont fixées plusieurs plaquettes 12 allong.es, plates, de même la'geur, étrditement appliquées l'une Dur l'autre par leurs fades frontales. Ces plaquettes comprennent une couche de silicium 13 de 0,7 mm d'épaisseur environ, une couche de bioxyde de silicium 14 de 1,5 P d'épaisseur environ, un film de molybdène 15 de 0,4 p d'épais- seur et environ 900 cônes identiques 16 en molybdène pour chaque pla- quette 12 (voir Fig. 3). Les cônes 16 sont des cathodes élémentaires. Chaque plaquette 12 a une largeur de 15 mm, de même que le support 11. La longueur de chaque plaquette 12 est égale à 70 mm.- La cathode 10 est plane à sa partie infé- rieure, c'est-à-dire que les cônes en molybdène 16 sont disposés dans un plan horizontal 17 et dirigés avec leur sommet ou pointe vers le bas. Comme on le voit sur la Fig. 3, chaque cône en molybdène 16 est disposé dans une cavité circulaire ou chambre 18 réalisée dans la couche en bioxyde de silicium 14, la base du cône reposant sur la 24722U4 -8- couche de silicium 13. L'extrémité de la cavité est formée par une ouverture circulaire 19 du film de molybdène 15, le sommet 20 des cônes se trouvant sensiblement dans-le plan 17. La longueur de la cathode 10 est sensible- ment égale ou un peu inférieure à la largeur du produit à durcir, qui est égale, par exemple, à un mètre. L'enveloppe 22 constitue l'anode du tube. En regard de la face inférieure de la cathode 10, le tube comporte une fenêtre métallique 23 de sortie des électrons, cette fenêtre étant parallèle à la cathode 10 et étant perméable aux électrons (fenêtre de Lenard). Des électrodes de commande latérales 24 et 24' en forme de bandes sont disposées parallèlement à la cathode 10, entre cette cathode et la fenêtre d'anode 23. Ces électrodes de commande s'étendent parallè- lement à l'axe longitudinal 25; elles sont parallèles entre elles et sont, suivant la Fig. 2, sensiblement perpendiculaires au plan 17. Elles sont disposées symétriquement à l'axe longitudinal 25, la distance qui les sépare étant un peu supérieure à la largeur de la cathode 10. La fenêtre 23 est encore un peu plus large. Une tension négative plus ou moins grande (-u), peut être appliquée aux électrodes de commande-24 et 24'. Les flèches 26 indiquent les faisceaux d'électrons et la flèche 27 indique la direction du déplacement du produit à durcir. La Fi(. 4 in- dique une densité de cènes ou cathodes élémentaires croissant dans la - direction de ce mouvement, ce qui donne une répartition triangulaire des électrons REVENDICATIONS 1 ) - Dispositif pour produire des faisceaux d'électrons (26) du type comportant une cathode (10) émettrice d'électrons, en vue de durcir en général une surface ou une couche de surface, notam- ment une couche de surface visqueuse, de préférence une couche de surface réalisée par impression, par exemple une couche colorée, caractérisé en ce que la cathode (10) est une cathode froide à film mince comportant un grand nombre de cônes (16) émetteurs d'électrons. 2 ) - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cathode (10) froide à film mince est allongée. 3 ) - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les cônes (16) de la cathode allongée (10) froide à film mince sont disposés dans un plan (17). 4 ) - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la cathode allongée (10) froide à film mince est constituée par des unités plates (12) allongées se succédant en direction longitudinale. ) - Dispositif selon la rev(fldi.lition 4, caractérisé en ce que lesdites unités (12) ont., au moins pour la plus grande partie d'entre elles, la méme lon9ujeur comprise entre 60 mm et 2) 90 mm, toutes les unités (12) ayant la qâme', largeur con.rise entre 5 mm et 20 mm. 6 ) - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la cathode allongée (10) froide a film mince est disposée sur un support céramique (11) s'éten- dant suivant sa longueur. 7 ) - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la densité -des cônes (16) ou cathodes élémentaires est variable dans la direction du mouvement (flèche 27) du produit à durcir en fonction des caractéristiques ciné- tiques de réaction de ce produit. - 10- 2472264 -10- 8 ) - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, lorsque la revendication 7 dépend de l'une quel- conque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que des électrodes de commande latérales (24-24') en forme de bandes, dont les surfaces se font face et qui sont disposées parallèlement à la cathode allongée (10) froide à film mince,sont disposées entre cette cathode (10) et une fenêtre (23) de sortie des électrons, pour empêcher ou réduire la divergence des faisceaux d'électrons (flèche 26) transversalement à la direction du mouvement du produit à durcir.