Brevet FR2476386A1 — publié le 19810821

La présente invention concerne un élément chauffant pour cathode à chauffage indirect. Elle con- cerne également un procédé de fabrication d'un tel élément et les cathodes à chauffage indirect compor- tant un tel élément. Les cathodes à chauffage indirect qui sont utilisées dans les tubes électroniques sont bien con- nues de l'art antérieur. Elles sont généralement cons- tituées par un disque émissif brasé à l'une des extré- mités d'un cylindre en matériau non émissif qui sert de boîtier. A l'intérieur du cylindre est placé un filament qui assure le chauffage dit indirect de la cathode. On distingue deux types de cathodes à chauffage indirect: - celles à chauffage par filament libre dans lesquelles le filament chauffe la cathode par rayon- nement; - celles à chauffage par filament dit potté, dans lesquelles l'espace laissé libre par le filament à l'intérieur du cylindre est rempli par un corps bon conducteur thermique, électriquement isolant à la température de fonctionnement, dont le point de fusion est élevé et qui enfin ne réagit pas à la température de fonctionnement avec le filament et le cylindre. Dans les cathodes à chauffage indirect par filament "potté", le filament est moins vulnérable aux chocs et aux vibrations mécaniques que dans les cathodes à chauffage indirect par filament libre. La présente invention concerne les cathode à chauffage indirect par filament "potté". Dans l'art antérieur, le "potting", c'est-à-dire le corps qui bloque le filament dans le cylindre, est constitué: - par de la poudre d'alumine frittée vers 20000C; - ou, par un mélange de poudre d'alumine et de poudre d'oxyde de calcium fritté entre 17500C et 18000C. Selon la présente invention, le "potting" est constitué par un mélange d'alumine et de moins de % en poids d'un oxyde d'un des éléments de la colonne III A de la table périodique des éléments, ce mélange étant fritté entre 1700 et 18000C. Selon un mode préféré de réalisation de l'in- vention, le mélange est constitué d'oxyde d'yttrium et d'alumine de composition chimique 3 Y2 O3 5 Al2 03, plus de l'alumine en phase. Le "potting" selon la présente invention pré- sente les avantages suivants - le frittage est réalisé entre 1700 et 18000C et cette température ne peut pas fragiliser le filament en tungstène ou en tungstène rhénium, comme c'est le cas lorsqu'on doit monter à 20000C pour fritter de la poudre d'alumine pure; - le potting réalisé est solide et compact, il assure un bon contact thermique de longue durée entre le filament et le cylindre.Il assure un isolement électrique égal à celui obtenu avec un "potting à base d'alumine uniquement. - l'oxyde d'yttrium qui peut être utilisé est stable et très pur. Son coefficient de dilatation -6 linéaire c. de celui des filaments couramment utilisés et identi- que à celui de l'alumine, ce qui permet d'obtenir un "potting" dont le coefficient de dilatation ne dépend pas des proportions d'alumine et d'oxyde.De plus, la conductibilité thermique de l'oxyde d'yttrium identique à celle de l'aluhirne (X = 0,017 cal. S1. cm= 1 e-1 à 1800'C et 0,013 à 10000C). Enfin, la température de fusion de l'oxyde d'yttrium (2410'C)-est inférieure à celle de l'oxyde de calcium par exemple (25720C). D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les figures annexées qui représentent: - La figure 1, une vue en perpective d'une cathode à chauffage indirect à filament "potté"; - La figure 2, un détail du diagramme de phase du mélange alumine-oxyde d'yttrium; - Les figures 3a, b et c, des schémas illus- trant le procédé de fabrication selon l'invention. Sur les différentes figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments, mais, pour des raisons de clarté, les cotes et proportions des divers élé- ments ne sont pas respectées. La figure 1 représente une vue en perspective d'une cathode à chauffage indirect à filament potté. Cette cathode est constituée d'un disque émis- sif 1 qui occupe l'une des extrémités d'un cylindre 2 en matériau non-émissif. - Le cylindre 2 est généralement en molybdène. Il sert de boîtier à la cathode et on l'appelle aussi "jupe" de la cathode. A l'une des extrêmités du cylindre 1, on brase un disque en tungstène poreux. Le brasage s'effectue aux environs de 19000C. Ce brasage effectué, on introduit dans le cylindre un filament 3 en tungstène ou en tungstène rhénium recouvert par cataphorèse d'une couche d'isolement en alumine. On réalise le "potting" 4 qui bloque le filament 3 dans le cylindre. On réalise ensuite à chaud, aux environs de 1750'C, l'imprégnation par de l'aLuminate de baryum et de calcium du disque en tungstène poreux 1, ce qui rend ce disque émissif. L'imprégnation du tungstène poreux se faisant vers 1750'C alors que le filament 3 se trouve dans le cylindre 2, il n'y a pas d'inconvénient à ce que pour l'élaboration du "potting", la température atteigne 1700 ou 18000C comme c'est le cas pour l'élaboration du "potting" selon l'invention. Selon l'invention, le "potting" est constitué par un mélange d'alumine et de moins de 10 % en poids d'un oxyde d'un des éléments de la colonne III A de la table périodique des éléments, ce mélange étant fritté entre 1700 et 18000C. La colonne III i de la table périodique des éléments comporte quatre éléments: le scandium, Sc, l'yttrium, Y, le lanthane, La,et enfin l'actinium, Ac. Nous allons prendre d'abord à titre d'exemple l'yttrium. Sur la figure 2, on a représenté un détail du diagramme de phase du mélange alumine-oxyde d'yttrium, qui est extrait de l'ouvrage: "Phase diagrams for Ceramists - 1969 - supplement". La courbe en trait épais indique la tempéra- ture de fusion du mélange alumine AI2 03' oxyde d'yttrium Y2 03 en fonction des pourcentages en poids d'alumine et d'oxyde d'yttrium. Cette courbe est discontinue. Pour certains pourcentages d'alumine et d'oxyde d'yttrium, la fusion se produit à une température plus faible que pour les autres pourcentages, ce sont des compositions eutectiques. Sur la figure 2, on constate que pour le point A qui correspond sensiblement à 60 % d'alumine et 40 % d'oxyde d'yttrium, la température de fusion est de 1760'C. Autour du point A, on constate que la température de fusion est supérieure à 1760'C. De même, il est remarquable en observant la figure 2 qu'à partir d'un pourcentage supérieur à 43 % d'alu- nine environ, le mélange obtenu à l'état solide a la même constitution chimique qui est 3 Y2 03. 5 Al2 031 plus de l'alumine en phase -. Le fait que le mélange alumine-oxyde d'yttrium soit un eutectique est intéressant car il permet de diminuer la température du frittage par rapport à l'alumine pure. De même, il est intéressant que la composition chimique du produit solide obtenu soit la même dans un large domaine des pourcentages res- pectifs d'alumine et d'oxyde d'yttrium. En effet, il est difficile lorsqu'on effectue un mélange de poudres -ici la poudre d'alumine et la poudre d'oxyde d'yt- trium - de s'assurer que le mélange est parfaitement bien réalisé et que le pourcentage des corps en présence est constant. Par conséquent il est intéres- sant d'obtenir un même composé chimique même si le mélange n'est pas parfaitement homogène. On désire donc bénéficier des avantages du mélange alumine-oxyde d'yttrium par rapport à l'alu- mine pure,tout en cherchant à avoir un mélange com- portant le maximum d'alumine. En effet, si le mélange comporte trop d'oxyde d'yttzium, on risque le décollement du "potting" du cylindre qui sert de boîtier et le décollement du filament de son "potting". Expérimentalement, on a déterminé qu'on obte- nait le potting réunissant le maximum d'avantages souhaité en frittant entre 1700 et 18000C et en limi- tant à 10 % en poids environ le pourcentage d'oxyde d'yttrium. Il est cependant bien entendu qu'on obtient un "potting" de bonne qualité en frittant entre 1700 et 18000C un mélange comportant environ 50 à 99 % d'alumine et donc environ 1 à 50 % d'oxyde d'yttrium. Dans tous les cas, on obtient un mélange d'oxyde d'yttrium et d'alumine de composition chimique 3 Y2 3* 5 Ai2 03, plus de l'aluminie en phase d. Sur la figure 2, on n'a représenté que la par- tie intéressante du diagramme de phase alumine-oxyde d'yttrium. En effet, sur le restant du diagramme, le pourcentage d'alumine est faible (inférieur à 40 %) et la température de fusion et donc la température de frittage sont trop élevées. L'alumine qui entre dans la composition du "potting" peut être constituée de plusieurs variétés d'alumine de granulométrie différente. On utilise ainsi par exemple,des grains de moins de p de diamètre et des gains de 10à 50-pm de diamètre. Le mélange de plusieurs variétés d'alumine permet de trouver un compromis entre les défauts et les qualités inhérents à chaque variété. En effet, l'alu- mine à grains fins se prend en masse facilement mais présente un retreintimportant. Alors que l'alumine à grains de grand diamètre se prend en masse plus difficilement mais constitue une masse poreuse sans retreint. De même que cela vient d'être décrit en détail pour l'yttrium, le "potting" peut être réalisé en frittant entre 1700 et 18000C un mélange d'alumine et de moins de 10 % d'un oxyde de scandium, de lanthane ou d'actinium. La composition chimique des corps obtenus sera dans le cas de l'oxyde de lanthane, La2 03. il Ai2 03 plus de l'alumine en phase Gé et dans le cas de l'oxyde de scandium, Sc2 03. Ai2 03R plus de l'alumine en phase o On peut signaler que la couche d'isolement déposée par cataphorèse sur le filament 3 peut être une couche d'alumine comme cela a été signalé dans la description de la figure 1, mais cette couche d'isolement peut avoir aussi la même composition que le mélange qui sert à réaliser le potting, par exemple de l'alumine et de l'oxyde d'yttrium. Sur les figures 3a, b et c, on a représenté un procédé de fabrication d'un élément chauffant selon l'invention. Selon ce procédé, on mélange d'abord intime- ment en agitant pendant 24 heures au moins, de la poudre d'un oxyde d'un des éléments de la colonne III A de la table périodique des éléments et une ou plusieurs poudres d'alumine de granulométrie différente. La poudre d'alumine ne doit pas dépasser 10 % en poids du mélange. On ajoute ensuite au mélange un liant de façon à obtenir une pâte. On tapisse avec cette pâte 5 la face du disque émissif 1 qui est située vers l'intérieur du cylindre 2. Cette étape est représentée sur la figure 2a. Ensuite, on fait s'évaporer lentement le liant en utilisant une lampe électrique, de 100 W par exemple, ou en laissant.sécher naturellement. On introduit le filament 3 dans le cylindre 2. Cette étape est représentée sur la figure 3b. On remplit ensuite en plusieurs fois le cylin- dre avec la pâte dont la consistance peut être modi- fiée par addition du liant. A chaque fois qu"on a s ajouté de la pâte-dans le cylindre, on fait s'éva- porer le liant, qui peut être de l'acétone, en utili- sant la lampe électrique. Enfin, on fritte sous hydrogène entre 1700 et 1800'C pendant une demiheure environ de façon à obtenir le "potting" 4. En faisant s'évaporer le liant lentement et- au fur et à mesure qu'on ajoute une couche de pâte dans le cylindre, on évite la formation de bulles dues à une évaporation rapide du liant de la tota- lité de la pâte remplissant le cylindre. Rk V E N D I C AT I 0 N S 1. Elément chauffant pour cathode à chauffage indirect constituée d'un disque émissif (1) qui oc- cupe l'une des extrémités d'un cylindre (2) en ma- tériau non émissif, cet élément chauffant étant cons- titué d'un filament (3) situé à l'intérieur du cylin- dre et d'un mélange (4) fritté d'alumine et d'oxyde, qui remplit l'espace laissé libre par le filament à l'intérieur du cylindre, caractérisé en ce que ce mélange (4) est constitué d'alumine et de moins de 10 % en poids d'un oxyde d'un des éléments de la colonne III A de la table périodique des éléments, ce mélange étant fritté entre 1700 et 1800 C. 2. Elément chauffant selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce mélange (4) est constitué d'oxyde d'yttrium et d'alumine de composition chimique, 3 Y2 03. A12 03 plus de l'alumine en phase oc. 3. Elément chauffant selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce mélange (4) est constitué d'oxyde de lanthane et d'alumine de composition chi- mique, La2 03. 11 A12 03 plus de l'alumine en phase:. 4. Elément chauffant selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce mélange (4) est constitué d'oxyde de scandium et d'alumine de composition chi- mique, Sc2 03 A12 03 plus de l'alumine en phase o 5. Elément chauffant selon l'une des revendi- cation 1 à 4, caractérisé en ce que ce mélange (4) comporte plusieurs variétés d'alumine de granulométrie différente. 6. Elément chauffant selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'une des variétés d'alumine comporte des grains de moins de 10 Pm de diamètre alors que l'autre variété comporte des grains de à 50 Fm de diamétre. 7. Elément chauffant selon l'une des revendi- cations 1 à 6, caractérisé en ce que le filament (3) est en tungstène ou en tungstène rhénium recouvert par cataphorèse d'une couche d'isolement en alumine ou consituée par le mélange d'alumine et d'oxyde qui constitue le reste de l'élément chauffant. 8. Procédé de fabrication d'un élément chauf- fant selon l'une des revendications 1 à 7, caracté- risé en ce qu'il comporte les étapes suivantes a) - on mélange intimement en agitant pendant 24 heures au moins, de la poudre d'un oxyde d'un des éléments de la colonne III A de la table périodique des éléments et une ou plusieurs poudres d'alumine de granulométrie différente, la poudre d'oxyde ne dépas- sant pas 10 % en poids du mélange; b) - on ajoute au mélange un liant de façon à obtenir une pâte; c) - on tapisse avec cette pâte la face du dis- que émissif (1) située vers l'intérieur du cylindre (2) en matériau nonémissif, puis on faits'-évaporer lentement le liant; d) - on introduit le filament (3) dans le cylindre; e) - on remplit en plusieurs fois le cylindre (2) avec la pâte dont la consistance peut être modi- fiée par additiondu liant, en faisant s'évaporer chaque foisle liant; f) on fritte sous hydrogène, entre 1700 et 18000C. 9. Cathode à chauffage indirect, caractérisée en ce qu'elle comporte un élément chauffant selon l'une des revendications 1 à 7 et en ce qu'elle est constituée d'un cylindre (2) en molybdène brasé à l'une de ses ex- trémités sur un disque émissif (1) constitué de tung- stène poreux imprégné à chaud d'aluminate de baryum et de calcium.