Brevet FR2480496A1 — publié le 19811016

"Cathode pour tube électroniques." L'invention concerne une cathode pour un tube électroni- que comportant deux corps creux, qui sont disposés de façon concentrique, l'un par rapport à l'autre, et qui sont reliés entre eux par une extrémité (supérieure), le corps creux extérieur servant de support au matériau émissif. Une telle cathode est connue du brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 3 195 003. Dans cette cathode connue, qui est indiquée dans le brevet des EtatsUnis d'Amérique NO 3 195 003 comme cathode à paroi double et comme cathode coa- xiale, les deux corps creux sont sous forme de cylindres creux et réalisés en métal. Dans l'enceinte comprise entre les deux cylindres creux est disposé un dispositif de chauf- fage, ce qui implique que cette cathode est chauffée de fa- çon indirecte, le cylindre intérieur faisant office il est vrai de réflecteur de la chaleur engendrée par le dispositif de chauffage, mais appelée en premier lieu à supporter de façon calorifugée, un cylindre extérieur porté à une tempé- rature élevée. De plus, il y a lieu de noter que la struc- ture du tube selon le brevet des Etats-Ufiis d'Amérique NO 3 195 003 qui sert à amplifier des signaux à très haute fré- quence, n'est, en principe, pas appropriée au but visé. Le brevet français NO 758 525 décrit en outre une ca- thode pour un tube à décharge dans un gaz, comportant un conducteur de chauffage et constituée par plusieurs cylin- dres creux disposés concentriquement les uns par rapport aux autres, qui sont reliés entre eux par voie galvanique et qui sont munis de connexions de contact pour un chauffage électrique et qui servent de support au matériau émissif. Dans cette cathode connue, le conducteur de chauffage est en métal, graphite ou carbure de silicium. Toutefois, le matériau émissif est appliqué sur le support de façon que la cathode puisse servir de dispositif d'emmagasinage pour la charge spatiale, dans lequel des ions accélérés à nou- veau sont rendus extrêmement inactifs par recombinaison avec des électrons. La demande de brevet allemand mise à la disposition publique (Offenlegungsschrift) Ne 2 732 960-décrit une ca- thode munie d'un conducteur de chauffage en graphite pyrc- litique et de connexions de contact Pour 3 cauffage dectrique cette cathode servant de support au matériau émissif. Tou- tefois, on a constaté que les formes cathodiques planaires (ouvertes) qui sont représentées en graphite pyrolitique ne conviennent pas à la gamme de fréquences très élevées. L'invention vise à indiquer une cathode permettant d'é- largir le domaine d'applications des tubes électroniques équipés jusqu'à la gamme de très hautes fréquences. Conformément à l'invention, ce but est atteint du fait que dans une cathode du genre mentionné dans le préambule, les deux corps creux sont reliés entre eux par voie galvani- que et leurs extrémités opposées (inférieures) sont munies de connexions de contact pour le chauffage électrique et réalisées en graphite pyrolitique. Contrairement à la cathode-planaire ouverte mentionnée ci-dessus, la réalisation conforme à l'invention peut être qualifiée au mieux comme cathode planaire fermée. Les deux corps creux sont sous forme de deux corps coaxiaux concentriques, par exemple des sphères, des demi- sphères, des cônes ou des cônes tronqués. La forme cylindri- que est une forme de réalisation préférentielle, du fait qu'elle est d'un emploi fréquent dans la technique de cons- truction des tubes. L'application de graphite pyrolitique. anisotrope comme matériau pour le conducteur de chauffage et le support de l'émetteur pour des cathodes à incandescence dans des tubes électroniques est particulièrement avantageu- se, comparativement à l'application de métaux, ceci grâce aux propriétés suivantes: 1) Résistance aux températures élevées jusqu'à 25000K (pression de vapeur à cette température: 10 bar), 2) aucune fusion mais un début de sublimation (en général non nuisible) de carbone aux températures égales ou supérieu- res à 25001K: 3) résistance mécanique qui croit avec les températures; 4) faible poids spécifique (2,0 à 2,2 g cm) et, de ce fait, de faibles forces d'inertie dans le cas de vibrations mécaniques; 5) résistivité assez élevée (suivant la structure) = 1,5 à 4,8. 10 4 Q.cm, ce qui veut dire dix à cent fois supérieure à celle de métaux; de ce fait le matériau est particulièrement avantageux, également pour des conducteurs planaires minces (é 1 signifie que la valeur indiquée concerne la résis- tivité parallèle à l'orientation préférentielle des faces de base dans le graphite pytolitique anisotrope; 6) très bonne conductivité thermique parallèle aux couches; A Ill = 2,1 à 4,2 J K 1 cm s 1, donc de même ordre de grandeur que la conductivité du cuivre; de ce fait, une répartition de température très homogène, qui s'éta- bl t très rapidement dans le cas de la mise en circuit du système de chauffage. La conduction thermique est également tributaire de la structure et augmente avec la perfection cristalline du graphite pyrolitique jusqu'à cinq à dix fois la valeur indiquée ci-dessus de 2, 1 J K_1 cm1l s-1). Dans la cathode conforme à l'invention, on a obtenu la conception de la cathode à chauffage rapide ou du conduc- teur de chauffage "rapide" pour des cathodes à chauffage in- direct. De plus, la cathode conforme à l'invention peut être réalisée d'une façon très avantageuse tant du point de vue électrique que thermique. La description ci-après en se référant au dessin anne- xé, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 montre un conducteur de chauffage. La figure 2 représente une cathode, dont le conducteur de chauffage présente un profil modifié par rapport à celui selon la figure 1. La figure 3 montre un substrat servant à la séparation de graphite pyrolitique. La figure 4 montre une disposition pour la composition des conducteurs de chauffage. Les figures 5a à 5d montrent plusieurs réalisations de la jonction entre deux cylindres creux et la figure 6 montre uoe cathode présentant un autre pro- fil modifié du conducteur de chauffage. La figure 1-montre deux cylindres creux 1,2 à paroi mince qui sont disposés concentriquement, l'un par rapport à l'autre, et qui sont généralement constitués par du graphite pyrolitique et dont les extrémités Supérieures) 3 sont reliées par voie galvanique entre elles, alors que les extrémités opposées (inférieures) sont munies de connexions de contact 4 assurant l'amenée d'un courant électrique pour le chauffage électrique. Un tel dispositif offre les avantages suivants a) Dans le cas d'une hauteur de construction déterminée pour la cathode dans un tube électronique, la réalisation à - paroi double permet d'obtenir en pratique plus de deux fois la résistance électrique et, de ce fait, un rapport courant-tension plus favorable pour l'énergie de chauffa- ge b) l'énergie de chauffage amenée est mieux utilisée du fait que la chaleur rayonnée par la partie inférieure est en majeure partie absorbée dans le cylindre extérieur 2, qui sert simultanément de support au matériau émissif 5 (figu- - re 2) et elle contribue également au chauffage (plus ra- pide) de la cathode c) la disposition des cylindres doubles reliés rigidement entre eux assure une résistance mécanique assez élevée, qui peut être augmentée davantage par l'application, avec un certain jeu, d'au moins une pièce d'écartement 6 dans l'enceinte comprise entre les deux cylindres, pièces qui sont réalisées en un matériau céramique thermoisolant et électro-isolant par exemple (voir la figure 2). Ces dis- positions permettent de réaliser les cathodes de façon à être auto-portantes sans recourir à des dispositions ad- ditionnelles pour ce qui concerne la structure et cela dans le cas de très faibles épaisseurs de paroi de 10 /un par exemple, ce qui entraine les avantages quiy sont inhé- rents d'un chauffage rapide pour des courants de chauffage relativement faibles. La réalisation de cylindres à paroi double en graphite pyrolitique s'effectue suivant des procédés connus en soi pour la séparation de graphite pyrolitique convenablement orienté à partir d'une phase gazeuse contenant du carbone. De préférence, on recourt à cet effet à la pyrolyse dite à paroi chaude (en anglais "hot-wall") du fait qu'ainsi, le chauffa- ge nécessaire pour une séparation uniforme des formes de substrat plus ou moins compliqué et ssudefarn maximale. La pyrolyse à paroi chaude est décrite dans "Carbon" 5 (1967) pages 205 à 217. Comme matériau pour les substrats, on uti- lise avantageusement de l'électrographite. Or, on a constaté que la réalisation des produits conformes à l'invention pour cylindres creux rigidement reliés entre eux par leur extré- mité (voir la figure 1) en une étape de séparation, en d'au- tres termes "en une seule pièce" pose des problèmes. Cela est dû au fait connu que les matériaux entrant en ligne de compte pour le substrat, ici surtout l'électrographite, pré- sentent un coefficient de dilatation thermique plus élevé que celui des couches séparées en graphite pyrolitique. Il en résulte que lors de l'abaissement de la température de sé- paration (environ 2000C) à la température de l'ambiance après le revêtement, le substrat se contracte plus fortement que la couche. (Dans le cas de la réalisation d'électrodes à grille connues du brevet allemand (Auslegeschrift) NO 2 450 261, la séparation simple requise de l'enveloppe (cou- che en graphite pyrolytique) et le substrat massif est ba- sée sur ce phénomène). Or. conme le représente la finre lorsque le siustrst pr6scnte la forme d'un cylindre creuc à paxoc pJIn ou neor épais S En é Jecto - graphite, le cylindre du substrat se rétrécit pendant le refroidissement de façon à se détacher de la couche cylin- drique extérieure 2, alors que la couche 1 déposée à l'in- térieur est fixée simplement par serrage. Le rétrécissement 2480496= est indiqué par la flèche 3. D'une façon générale, une sépa- ration parfaite du substrat S et des couches 1, 2 n'est pas possible. Evidemment, le substrat peut en principe être sorti de l'enveloppe par voie mécanique, par exemple par tournage ou meulage, mais ce procédé ne peut être utilisé que dans certains cas spéciaux, par exemple dans le cas de grands es- pacements entre les cylindres extérieur et intérieur, et si- multanément d'assez grandes épaisseurs de paroi des couches. D'une façon générale, pour obvier auxdits inconvénients, la réalisation de cylindres à paroi double s'effectue en. plusieurs étapes de fabrication, ce qui sera expliqué ci- après en détail à l'aide d'exemples. Pour le cylindre intérieur ainsi que pour le cylindre extérieur sont réalisés des substrats massifs de forme et de dimensions requises. Ces substrats sont revêtus de façon connue (par exemple à 20000C) sous une pression de 2 à 3 mbar de p'ropane ou d'hydrocarbures similaires pendant une durée de 3 à 5 heures. Dans ces conditions, on obtient un revêtement enveloppant d'une épaisseur de 200 à 300 ïm, qui peut facilement être arrachée du substrat, après l'enlève- ment de la partie de fond, par exemple par meulage. (La même technique est utilisée pour la réalisation de "semi-ouvrés" pour des électrodes à grille). Or les deux cylindres partiels ainsi obtenus 1 et 2 sont composés par paires, éventuellement après traitement, afin d'obtenir une certaine adaptation aux endroits 3 dispo- sés pour la jonction. Pour assurer une fixation rigoureuse et concentrique, il faut utiliser en général ce qu'on appel- le un gabarit. Un dispositif du genre décrit est illustré schématiquement sur la figure 4 o le gabarit est désigné par L. Pour la jonction des points à 3 peuvent être utilisées plusieurs techniques, comme soudage, serrage, vissage etc., mais surtout les méthodes de dépôt à partir de vapeur chi- mique. Pour les essais furent appliqués de préférence la séparation de carbone pyrolytique et le soudage (par exemple avec Zr/Ni) pour la jonction. Les corps partiels à relier peuvent présenter des formes très diverses. Les figures 5a à 5d l'illustrent (chaque fois seule une section de l'endroit de jonction est repré- sentée sur le dessin; l'endroit de jonction, même est entou- ré d'un cercle). La figure 5d symbolise un endroit de jonction avec application d'un organe de centrage addition- nel (hachuré) en métal ou carbone). Non seulement la forme de l'endroit de jonction ainsi que la technique de jonction, mais également la forme des deux corps partiels de la cathode peuvent être largement va- riables..C'est ainsi qu'au lieu des cylindres préférentiel- lement utilisés, il est possible de choisir des corps creux présentant des sections transversales ou des profils non circulaires, cas dans lequel il faut tenir compte d'une meilleure fixation du matériau émissif, par exemple la forme illustrée sur la figure 6. Il n'est pas possible de prescrire des énergies de chauffage obligatoires pour l'obtention de certaines tempé- ratures superficielles, du fait que cela est surtout déter- miné par le genre et la grandeur de chaque cathode coaxiale choisie, ainsi que par les rapports de rayonnement et sur- tout également par l'évacuation de chaleur des contacts. Tou- tefois de la mesure il ressort qu'après la mise en service de l'énergie de chauffage, des systèmes dudit genre attei- gnent quasi-spontanément, c'est-à-dire en moins d'une se- conde leur température finale et que les états d'équilibre de la température s'établissent rapidement. REVENDICATIONS 1.- Cathode pour un tube électronique comportant deux corps creux, qui sont disposés de façon concentrique, l'un par rapport à l'autre, et qui sont reliés entre eux par une extrémité (supérieure), le corps creux extérieur servant de support au matériau émissif, caractérisée en ce que les deux corps creux (1,2) sont reliés entre eux par voie gal- vanique et leurs extrémités opposées (inférieures) sont munies de connexions de contact (4) pour un chauffage élec- trique et sont constitués par du graphite pyrolytique. 2.- Cathode selon la revendication 1, caractérisée en ce que les deux corps creux (1,2) présentent la forme de cylindres creux coaxiaux. 3.- Tube électronique de préférence pour de très hautes fréquences, caractérisé en ce qu'il comporte une cathode selon l'une des revendications 1 et 2.