Brevet FR2498373A1 — publié le 19820723

La présente invention concerne les électrodes pour dispositifs à décharge luminescente, et elle convient en particulier mais non exclusivement aux gyroscopes à laser en anneau. La cathode d'un tube normal à décharge luminescente est habituellement logée dans une enveloppe de verre et elle est construite par exemple sous forme d'un cylindre ouvert à ses diEaixextrémités. Le métal ou une autre matière conduc- trice de l'électricité dont la cathode est formée,a des pro- priétés cathodiques convenables,à savoir une bonne résis- tance à la pulvérisation et une bonne caractéristique d'émission électronique. On sait que le principal mécanisme de fonctionnement d'une cathode est la libération d'élec- trons par chocs d'ions positifs d'énergie élevée, les élec- -15 trons libérés étant repoussés par la cathode lors de la dé- charge ou en présence du champ électrique. Malheureusement, le choc sur le cathode des ions positifs d'énergie élevée peut aussi provoquer la libération d'atomes du métal dont est formée la cathode, et ces atomes peuvent se déposer dans des régions voisines de la cathode. Ce processus est connu sous le nom de 'pulvérisation catho- dique" et on sait bien qu'il est nuisible au fonctionnement de la cathode. L'effet de la pulvérisation cathodique est l'exposition de métal neuf sur la cathode, pouvant absorber certains gaz présents dans le dispositif à décharge lumi- nescente et donnant ainsi un effet de fixation de gaz, les gaz absorbés pouvant être enfouis lorsqu'une partie de la matière pulvérisée se redépose sur la cathode. On a constaté que la pulvérisation cathodique était prépondérante lorsque la densité de courant cathodique était élevée et ainsi, une cathode ayant une configuration qui crée des régions de densité élevée de courant ou points chauds" a tendance à présenter des caractéristiques de pul- vérisation et de fixation de gaz, la pulvérisation étant indésirable mais la fixation avantageuse. On a constaté que des régions de densité élevée de courant étaient associées aux surfaces discontinues d'une cathode, par exemple pré- sentées par des coins ou des pointes notamment. Ainsi, il est souhaitable d'éviter les surfaces discontinues dans une cathode afin que le champ électrique formé dans le dis- positif à décharge luminescente garde une valeur aussi uni- forme que possible. Dans le cas d'un gyroscope à laser en anneau, on se passe habituellement de l'enveloppe de verre si bien que la cathode ellemême forme l'enveloppe qui doit être étanche et qui doit avoir un orifice de communication avec le trajet sur lequel a lieu l'effet laser dans le gyroscope. En outre, la cathode doit coopérer de façon étanche et ro- buste physiquement avec un bloc ou une autre construction dans lequel le trajet de formation d'effet laser est réa- lisé. Ainsi, le cylindre aux deux extrémités ouvertes, uti- lisé comme cathode dans d'autres dispositifs,à décharge lu- minescente, comme décrit précédemment, n'est pas utile dans un gyroscope à laser en anneau. Si une première extrémité du cylindre est fermée par un capuchon ou une plaque d'ex- trémité disposée en direction sensiblement transversale à l'axe longitudinal, il apparaît une surface discontinue dans le cylindre étant donné le "coin" formé à la transition entre le capuchon ou la plaque et le corps cylindrique. Il faut noter qu'une telle discontinuité peut être rendue minimale par arrondissement de l'interface du corps cylin- drique et du capuchon d'extrémité et en fait on connaît des cathodes ayant des corps cylindriques et des extrémités hémisphériques. Cependant, une autre considération importante con- cerne les cathodes, à savoir "le bruit" de décharge qui est créé par des oscillations dans la décharge luminescente. Dans un gyroscope à laser, le bruit de décharge s'impose automatiquement aux faisceaux lasers et, suivant sa sévérité, il peut d'abord se manifester sous forme d'une partie no- table du signal de sortie du gyroscope, provoquant une dégra- dation des caractéristiques du gyroscope et il peut aussi constituer un facteur rendant difficile le réglage de la longueur du trajet global de circulation dans le laser. Il est important que la longueur du trajet global de circula- tion du laser, dans un gyroscope à laser, soit réglée entre des limites très contraignantes étant donné qu'un changement de la longueur de ce trajet constitue le fondement du fonc- tionnement d'un tel gyroscope, si bien que des changements dus à des facteurs autres que celui qui doit être mesuré (c'est-à-dire la rotation du gyroscope autour de son axe sensible) doivent être éliminés. Dans le cas du bruit de décharge, on a constaté que des électrodes ayant des corps cylindriques et des extrémités courbes ou hémisphériques présentaient de mauvaises caractéristiques à cet égard, malgré de bonnes caractéristiques de faible pulvérisation tel que décrit précédemment. Au contraire, les cathodes coniques ou à extrémités rectangulaires ont de très bonnes caractéristiques de bruit de décharge mais présentent une pulvérisation importante. Ainsi, il existe actuellement un conflit entre les caractéristiques de pulvérisation et de bruit de décharge d'une cathode, pour une configuration déterminée. L'invention repose sur la découverte du fait que, contrairement aux prévisions, une cathode ayant une sur- face courbe de forme particulière présente de bonnes carac- téristiques de bruit ainsi que de bonnes caractéristiques de résistance à la pulvérisation. Selon l'invention, une cathode d'un dispositif à décharge luminescente comporte un corps creux ayant une ouverture et une surface interne de travail qui a sensi- blement la forme d'un tronc d'ellipsoide. Dans un mode de réalisation avantageux, la sur- face interne de travail de la cathode est semi-ellipsoidale, l'orifice se trouvant dans un plan qui coïncide avec celui qui contient le petit axe de l'ellipsoïde. Une bride de montage peut être disposée autour de l'orifice de la ca- thode et permet le montage de la cathode sur une surface de montage d'un gyroscope à laser ou d'un autre dispositif à décharge luminescente avec lequel elle doit être utilisée, ainsi que la coopération étanche avec cette surface. Comme le montage de la cathode sur le dispositif à décharge luminescente par la bride ou d'une autre manière fait ap- paraitre une discontinuité de la surface de travail de la cathode étant donné le "coin" a l'interface de la cathode et de la surface de montage, il est avantageux que ce coin soit protégé par un organe d'introduction placé à l'inté- rieur de la cathode et ayant un passage qui relie l'inté- rieur de la cathode au trajet de la décharge luminescente du dispositif associé à décharge. D'autres caractéristiques et avantages d'une cathode réalisée selon l'invention, destinée à un gyroscope à laser, ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique en plan d'un gyroscope à laser muni d'une cathode selon l'invention; la figure 2 est une élévation de droite du gyros- cope de la figure 1; et la figure 3 est une perspective, à plus grande échelle et à coupe partielle, de la cathode. On se réfère aux figures 1 et 2; la cavité du gyroscope à laser est formée dans un bloc 1 d'une matière qui n'est pas métallique et a un faible coefficient de dila- tation. Une matière avantageuse est celle qui est connue sous la marque de fabrique "Zerodur". Le bloc 1 est sous forme d'un triangle équilatéral, lorsqu'il est vu en plan, ses sommets étant coupés perpendiculairement aux bissectri- ces correspondantes afin qu'ils forment des surfaces planes 2 de montage. Le bloc 1 est percé parallèlement à chaque côté afin qu'il forme trois bras 3, 4 et 5 qui constituent ensemble la cavité du gyroscope à laser dans laquelle la décharge luminescente ou plus précisément l'effet laser se manifeste. La cavité est continue car les bras 3, 4 et 5 sont disposés d'une surface 2 de montage à l'autre d'une manière telle que deux bras se recoupent au niveau de cha- que surface 2. Un miroir 6 est fixé à chaque surface 2. Deux anodes 7 et 8 montées à mi-distance le long des côtés 9 et 11 respectivement du bloc 1 et une cathode 12 montée à mi-distance le long du côté 13 du bloc commu- niquent avec la cavité. Les anodes 7 et 8 et la cathode 12 coopèrent de façon étanche avec le bloc 1, de même que les miroirs 6, et communiquent avec la cavité par des alésages respectifs 14, 15 et 16 disposés entre les bras correspon- dants 3, 4 et 5 et les côtés associés 9, 11 et 13. La ca- vité est remplie d'un gaz inerte, par exemple un mélange d'hélium et de néon. Chaque anode 7 et 8 a un trou taraudé 17 et 18 respectivement (figure 1) pour le logement d'un contact électrique (non représenté). Comme la cavité est fermée en permanence lorsqu'elle a été remplie d'un gaz inerte, il est essentiel que la pureté du gaz soit mainte- nue, car, si le gaz se dégradait au-delà d'une certaine limite, il serait impossible d'obtenir l'effet laser. A cet effet, un fixateur de gaz est utilisé (mais n'est pas représenté). Comme l'indique plus précisément la figure 3, la cathode 12 est réalisée selon l'invention et elle a un corps creux ouvert à une première extrémité. La surface interne de travail 22 (c'est-à-dire la surface cathodique) et la surface externe 23 de la cathode 12 ont toutes deux sensi- blement la forme d'un tronc d'ellipsoide car la cathode est un ellipsoïde coupé en deux le long du petit axe 24. Une bride 25 est formée à l'extrémité ouverte de la cathode 12 et permet le montage de celle-ci sur le bloc 1 et la coopération étanche avec celuici. Un trou taraudé 19 (figure 2) est formé dans la bride 25 pour le logement d'un contact électrique (non représenté). La cathode est formée d'un alliage d'aluminium (de préférence selon la norme britannique L65 ou selon la norme américaine 2924), mais elle peut être formée de toute matière ayant des pro- priétés cathodiques. Le procédé de fabrication peut com- prendre l'usinage dans un bloc plein ou le repoussage d'une matière en feuille par exemple, et il n'est pas né- cessaire que la surface externe 23 ait la forme d'un tronc d'ellipsoide. Cependant, la réalisation d'une surface ex- terne en forme de tronc d'ellipsoide permet une réduction de poids qui peut être importante pour la formation d'un joint efficace entre la cathode 12 et le bloc 1, car plus le joint a à supporter un faible poids et meilleur il est. Comme le montage de la cathode 12 sur le bloc 1 fait apparaître une discontinuité à la surface interne de travail 22 étant donné le "coin" 26 à l'interface de la cathode et du bloc, il est souhaitable que la disconti- nuité soit protégée afin qu'elle soit en fait éliminée de la surface de travail de la cathode et un organe 27 d'in- troduction est utilisé à cet effet (figure 1). L'organe d'introduction est tubulaire et a un alésage axial 28 qui coïncide avec le grand axe 29 de l'ellipsoïde et il a une bride 31 permettant son montage sur le bloc 1 si bien que l'alésage 28 est aligné sur l'alésage 16 du bloc. L'alésage 28 a un chambrage 32 à l'extrémité éloignée du bloc 1 si bien que le chambrage s'évase vers l'extérieur depuis l'alé- sage principal 28 et vers l'intérieur de la cathode 12. Dans le mode de réalisation représenté, la lon- gueur de chaque bras 3, 4 et 5 de la cavité du gyroscope est de 14,3 mm, et la dimension de la cathode est telle que la surface interne 18 a un demi grand axe de 55 mm et un demi petit axe de 12 mm, donnant une surface réelle de travail de 40 mm. Pour ces dimensions et une construction à base d'alliage d'aluminium, on constate que la cathode 12 entretient une décharge luminescente dans la cavité du gy- roscope jusqu'à 0,025 mA.cm, permettant l'utilisation d'un courant de 4 mA à une densité de courant inférieure à -2 0,1 mA.cm Lors du fonctionnement du gyroscope à laser, les anodes 7 et 8 et la cathode 12 sont alimentées afin qu'elles assurent et entretiennent l'effet laser dans le mélange hélium-néon ou un autre gaz contenu dans la cavité, avec formation de faisceaux lumineux se dirigeant en sens in- verses,d'une manière classique dans les gyroscopes à laser, et circulant autour de la cavité sous la commande des mi- roirs 6. On constate que la surface de travail 22 en forme de tronc de cône de la cathode 12 présente de faibles ca- ractéristiques de pulvérisation, surtout lors de l'utili- sation de l'organe 27 d'introduction, et présente, con- trairement aux prévisions, de bonnes caractéristiques de bruit ou d'oscillation dans la décharge. Comme plus la surface 22 de travail de la cathode 12 est importante et plus la densité de courant est faible, cette dernière caractéristique étant souhaitable au point de vue de la pulvérisation (lors d'un fonctionnement en régime luminescent normal), l'extrémité ouverte de la ca- thode peut être disposée en un point quelconque le long de l'axe principal 29, mais on constate qu'il est commode d'utiliser une surface de travail ayant sensiblement la forme d'un demi-ellipsoide. Il faut noter que les figures 1 et 2 ne représen- tent que l'élément fondamental du gyroscope à laser et ce d'une manière schématique seulement. Une cathode réalisée selon l'invention peut être utilisée dans tout type de gyroscope à laser et en fait dans tout laser ou autre type de dispositif a décharge luminescente. REVENDICATIONS 1. Cathode destinée à un dispositif à décharge lumi- nescente, comprenant un corps creux ayant un orifice, ca- ractérisée en ce qu'elle a une surface interne de travail (22) ayant sensiblement la forme d'un tronc d'ellipsoïde. 2. Cathode selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface interne de travail (22) a une forme de demi-ellipsoïde, l'orifice formé dans le corps se trouvant dans un plan (24) qui coïncide avec le plan contenant le petit axe de l'ellipsoïde. 3. Cathode selon l'une des revendications I et 2, caractérisée en ce que la bride (25) est formée autour de l'orifice dans le corps et permet le montage de la cathode (12) sur le dispositif à décharge luminescente. 4. Cathode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un organe d'introduction (27) placé dans la cathode (12) et destiné, lors du fonctionnement de la cathode, à proté- ger la jonction de la cathode avec le dispositif à décharge luminescente auquel elle est fixée, si bien que la jonction ne fait pas partie de la surface de travail de la cathode. 5. Cathode selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'organe d'introduction (27) est tubulaire et a un alésage longitudinal (28) aligné sur un axe de la sur- face de travail en forme de tronc d'ellipsoide, l'extrémité de l'organe tubulaire qui,'lors du fonctionnement, est pla- cée à distance du dispositif associé à décharge luminescente ayant un chambrage (32) qui s'évase vers l'extérieur à par- tir de l'alésage longitudinal et vers l'intérieur de la cathode. 6. Cathode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la surface externe (23) de la cathode (12) a aussi sensiblement la forme d'un tronc d'ellipsoïde. 7. Cathode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est usinée dans un bloc plein de matière. 8. Cathode selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle est formée par repoussage d'une matière en feuille. 9. Dispositif à décharge luminescente, caractérisé en ce qu'il est muni d'une cathode selon l'une quelconque des revendications précédentes. 10. Gyroscope à laser, caractérisé en ce qu'il est muni d'une cathode selon l'une quelconque des revendications 1 a 8.