Brevet FR2494487A1 — publié le 19820521

La présente invention concerne les techniques utilisant les particules chargées, plus précisément les sources de particules chargées, et a notamment pour objet une source d'électrons et d'ions. L'invention est utilisable par exemple dans les installations de soudage par faisceau électronique, les installations employant les faisceaux ioniques et les accélérateurs de particules. Il existe une source d'électrons et d'ions comportant, disposées coaxialeeent et successivement, une électrode d'accélération à orifice, une cathode émissive à orifice d'émission, une anode cylindrique creuse munie d'un moyen de génération d'un champ magnétique homogène, et une cathode cylindrique creuse en métal magnétique doux,reliée conductivement à la cathode émissive et dont la surface frontale forme avec celle de la cathode émissive et la surface interne de l'anode cylindrique creuse une chambre de décharge dans laquelle s'amorce une décharge de Penning (voir, par exemple, le certificat d'auteur soviétique NO 456322, cl. HolJ3/o4). Dans ladite source, la cathode creuse est constituée d'un matériau magnétique doux, par exemple en acier électrique. L'emploi de l'acier électrique tient à sa bonne perméance, nécessaire pour créer dans la chambre de décharge un champ magnétique homogène. Le type principal de décharge présentant une densité considérable de particules chargées à son axe est la décharge de réflexion à effet de cathode creuse développé. Le type principal d'émission dans l'enceinte de la cathode creuse est l'émission photo-électronique, Toutefois, l'acier électrique dont est constituée la cathode est caractérisé par un faible coéfficient d'émission photo-électrique aussi, la quantité d'énergie à dépenser pour faire passer les électrons libres de l'acier dans le plasma est-elle importante.Par exemple, en cas d'utilisation d'air comme gaz de travail, la tension d'amorçage de la décharge de réflexion constitue 380 à 400 V, le rendement d'extraction des électrons ( X = 1/1r, où g est le rendement d'extraction des électrons , I est le courant de faisceau, 1r est le courant de décharge) est de 35 à 40 % pour un rendement énergétique (H = I/P, où H est le rendement énergétique, I est le courant de faisceau et P est la puissance dépensée pour son obtention de l'ordre de Q,00125 A/W. L'emploi d'acier électrique en tant que surface émissive de l'enceinte empêche la pleine utilisation du rendement énergétique dont est capable la source. La présente invention vise donc une source d'électrons et d'ions dont la cathode cylindrique creuse serait réalisée de maniere à permettre d'améliorer le rendement énergétique de la source. Ce but est atteint du fait que la source d1électrons et d'ions, du type comportant, disposées coaxialement et successivement, une électrode d'accélération à orifice, une cathode émissive à canal d'émission, une anode cylindrique creuse dotée d'un moyen de génération d'un champ magnétique homogène, et une cathode cylindrique creuse en matériau -doux, reliée directement à la cathode émissive et dont la surface en bout forme avec la face opposée de la cathode émissive et avec la surface interne de l'anode cylindrique creuse une chambre de décharge dans laquelle s'amorce une décharge de Penning, caractérisé, selon l'invention, en ce que la cavité de la cathode cylindrique creuse renferme un élément émissif constitué d'un métal à coefficient d'emission photo-électronique supérieur à celui du métal magnétique doux constituant la cathode cylindrique creuse elle-mme. Il est avantageux, en vue d'améliorer la technologie de fabrication de la cathode cylindrique creuse, que l'élément émissif soit réalisé sous forme d'une douille placée dans la cavité de la cathode cylindrique creuse de façon que sa surface externe soit en contact direct avec la surface de la cavité de la cathode. Il peut aussi entre souhaitable, pour améliorer les conditions de refroidissement, que l'élément émissif consiste en une couche métallique appliquée directement sur la surface intérieure de la cathode cylindrique creuse. La source d'électrons et d'ions ainsi conçue assure un rendement énergétique plus élevé. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci appTattront mieux à la lumière de la description explicative aui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemplesnon limitatifs, avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels - la figure 1 représente une vue en coupe longitudinale partielle de la source d'électrons et d'ions selon l'invention - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'une partie de la cathode cylindrique creuse d'un autre mode de réalisation de la source d'électrons et d'ions, selon l'invention. La source d'électrons et d'ions selon l'invention comporte une gaine ou enveloppe 1 (figure 1) dans laquelle sont disposées coaxialement et successivement : une électrod d'accélération 2 avec un orifice 3, une cathode émissive 4 avec un canal d'émission 5, une anode cylindrique creuse 6 et une cathode cylindrique creuse 7 possédant une enceinte ou cavité 8. Dans l'anode 6 est monté un moyen de génération d'un champ magnétique homogène, sous forme d'un aimant annulaire 9. La cathode cylindrique creuse 7, mise en liaison conductive par un goujon de serrage 10 avec la cathode émissive 4, est en un métal magnétique doux, par exemple en acier électrique. La surface en bout Il de la cathode 7 forme avec la face 12 de la cathode émissive 4 et la surface intérieure 13 de l'anode 6 une chambre de décharge 14 dans laquelle a lieu une décharge de Penning. L'enceinte 8 de la cathode cylindrique creuse 7 contient un élément émissif en métal dont le coefficient d'émission photo-électronique est supérieur à celui du métal magnétique doux, en 1'occurxnce, de l'acier électrique, dont est fabriquée la cathode cylindrique creuse 7. Dans le mode considéré de réalisation de l'invention, l'élément émissif se présente sous forme d'une douille 15 placée dans l'enceinte 8 de manière que sa surface externe soit en contact direct avec la surface interne de l'enceinte 8. La douille en aluminium 15 est engagée à la presse dans l'enceinte 8 de la cathode 7. La douille peut également être en magnésium et montée dans l'enceinte de la cathode cylindrique creuse par assemblage fileté, ce qui permet le remplacement des éléments émissifs usés. Toutefois, l'assemblage par filetage accroît la résistance thermique entre la douille et la cathode cylindrique. La source d'électrons et d'ions selon l'invention comporte un moyen d'alimentation en gaz de travail (air) de la chambre de décharge 14, comprenant un boiter 16 avec un isolateur 17 renfermant un queusot à aiguille 18 avec une vis 19 extérieure au bottier 1. En fonctionnement, les électrons de la chambre de décharge 14 dégagent de la chaleur, dont la plus grande partie se dégage sur la cathode creuse 7 comportant des canaux de refroidissement 20 recouverts par le boîtier 21. Le refroidissement de l'anode 6 et de l'aimant annulaire 9 s'effectue par le canal 22 ménagé dans le corps de l'anode 6. Les cathodes 7 et 4 sont isolées de l'anode 6 au moyen d'isolateurs 23 et de joints d'étanchéité 24. Une bride d'appui 25 est disposée sur un isolateur 26 qui est rendu étanche par des garnitures en caoutchouc 27 du cbté de la cathode 4 et de l'embase principale 28. Des vis d'ajustage 29, ainsi qu'une bague d'appui 30 placé autour de l'isolateur 26, servant à ajuster le canal d'émission 5 de la cathode émissive 4 par rapport à l'orifi 3 de l'électrode d'accélération 2. L'électrode d'accélération 2 et une lentille électromagéntique 31 sont logées dans une douille 32 au moyen de joints filetés 33 et 34, respectivement. L'embase principale 28 et une embase supplémentaire 35 montée sur celle-ci possèdent, respectivement, des orifices 36 et 37, 38 servant à évacuer par pompage le gaz de travail (air). La source d'électrons et d'ions de la figure 2 est réalisée d'une manière analogue à celle de la figure 1, avec la différence, toutefois, que ltélément émissif se présente sous forme d'une couche de métal 39, en l'occur- rence de magnésium, appliquée directement sur la surface de l'enceinte 8 de la cathode cylindrique creuse 7. Le magnésium a un coefficient d'émission photo-électronique supérieur à celui de l'acier électrique dont est fabriquée la cathode cylindrique creuse 7 elle-mbme. Le principe de fonctionnement de la source d'électrons et d'ions selon l'invention consiste en ce qui soit. A l'aide du queusot à aiguille 18 on établit dans la chambre de décharge 14 (figure 1) une pression de l'ordre de 1,3 Pa. Pour appliquer la tension entre les cathodes 4 et 7 et l'anode 6 isolées entre elles par les isolateurs 23, on amorce une décharge de Penning entre les faces mutuellement en regard Il et 12 de la chambre de décharge 14. Lorsque le courant de ladite décharge croit et que l'étendue de la zone de chute de potentiel cathodique pres de ltou- verture 40 de l'enceinte 8 de la cathode 7 dévient inférieurs au rayon de ladite ouverture 40, le plasma de la décharge de Rsxdng ptzedais l'enceinte 8, ce qui donne lieu à un effet de cathode creuse caractérisé par une grande densité de particules chargées dans l'axe de la décharge, Dans la décharge de Penning, le principal type d'émissic d'électrons de la surface des cathodes 7 et 4 est l'émission d'ions et d'électrons, tandis que dans l'enceinte 8-de la cathode creuse 7, dans le cas d'un effet développé de cathode creuse, c'est l'émission photo-électronique. En vue de réduire la tension d'amorçage de la décharge de Penning et le courant d'excitation de l'effet de cathode creuse, et de répartir uniformément le champ magnétique dans la chambre de décharge 14, les faces 11 et 12 mutuellement en regard des cathodes 7 et 4 sont réalisées en acier électrique présentant un coefficient d'émission ionique et électronique relativement élevé et un bas coefficient d'émission photo-électronique. Etant donné que le type principal d'émission de la surface de l'enceinte 8 de la cathode creuse 7 est l'émission photowélectronique, on a prévu dans l'enceinte 8 la douille 15 en aluminiun, dont le coefficient de rendement photo-électronique dépasse celui de l'acier électrique constituant la cathode creuse 7 elle-mme. Ceci permet de réduire notablement (jusqu'a 260 V) la tension d'amorçage de la décharge. La réduction de la tension d'amorçage conduit à une augmentation de la surface emissive du fait de la réduction de le zone de chute de potentiel cathodique aux parois du canal d'émission 5, ce qui permet d'améliorer le coefficient d'extraction électrique de la partie de la décharge de réflexion (à effet développé de cathode creuse) qui est voisine de la cathode. Pour un courant suffisamment faible (0,007 à 0,010 A) de la charge de réflexion à effet développé de cathode creuse, l'étendue de la zone de chute de potentiel cathodique près du canal d'émission 5 devient inférieure au rayon du canal 5, ce qui provoque la rupture de la couche de chute de potentiel cathodique dans la zone du canal d'émission 5. La conséquence en est que le plasma pénètre dans le canal d'émission 5 et, lorsque l'éléctrode d'accélération 2 est polarisée positivement, il y a extraction d'électrons avec un rendement énergétique de 0,004 A/W, la polarisation négative de l'électrode d'accélération 2 produisant l'ex- traction d'ions. Les électrons ainsi obtenus et accélérés sont con centrés par une lentille électromagnétique 31 sur la pièce à traiter. Le fonctionnement de la source d'électrons et d'ions de la figure 2 est analogue à celui de la source de la figure 1. La source d'électrons et d'ions selon l'invention présente un rendement énergétique suffisamment élevé d'extraction d'électrons, ainsi que d'extraction d'ions en cas de changement de la polarité de la tension appliquée à l'électrode d'accélération, de la partie de la décharge de réflexion à effet développé de cathode creuse qui est voisine de la cathode. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la protection comme renvendiquée. REVENDICATIONS 1. Source d'électrons et d'ions comportant, disposées coaxialement et successivement: une électrode d'accélération à orifice, une cathode émissive comportant un canal d'émission, une anode cylindrique creuse munie d'un moyen de génération d'un champ magnétique homogène, et une cathode cylindrique creuse en matériau magnétique doux, reliée conductivement à la cathode émissive et dont la face en bout forme avec la face opposée de la cathode émissive et avec la surface intérieure de l'anode cylindrique creuse une chambre de décharge dans laquelle s'amorce une décharge de Penning, caractérisée en ce que dans l'enceinte de Ia cathode cylindrique creuse est prévu un élément émissif constitué d'un métal dont le coefficient d'émission photoélectronique dépasse celui du matériau magnétique doux constituant la cathode cylindrique creuse elle-même. 2. Source d'électrons et d'ions selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément émissif se présente sous forme d'une douille placée dans 1'enceinte de la cathode cylindrique creuse de manière que sa surface externe soit en contact direct avec la surface interne de ladite enceinte. 3. Source d'électrons et d'ions selon la revendication 1, caractériséé en ce que ledit élément émissif se présente sous forme d'une couche métallique appliquée directement sur la surface interne de l'enceinte de la cathode cylindrique creuse.