Brevet FR2492587A1 — publié le 19820423

La présente invention concerne les appareils à décharge luminescente à cathode froide, et a notamment pour objet un canon électronique à décharge dans un gaz avec cathode froide. L'invention peut être utilisée pour des buts industriels et des recherches scientifiques lors de la création d'installations technologiques à rayons cathodiques. On connait bien un canon électronique à décharge dans un gaz avec cathode froide comprenant une chambre reliée par l'intermédiaire de canaux à des dispositifs d'admission et d'évacuation du gaz. Au cours du fonctionnement du canon le gaz est amené à l'intérieur de la chambre par les dispositifs précités et y est maintenu sous une pres sion prédéterminée, A l'intérieur de la chambre est monté un système d'électrodes comportant une anode tubulaire ouverte des deux côtés, une cathode plate disposée près d'une extrémité de l'anode et une électrode de commande réalisée sous la forme d'une plaque avec un orifice à travers lequel et au moyen duquel passe le rayon electronique et par l'application correspondante du potentiel se réalise la stabilisation ou la commande du courant du rayonnement électro- nique. L'électrode de commande est disposée entre la cathode et l'anode. La distance entre l'extrémité de l'anode et la cathode, ainsi qu'entre l'extrémité de l'anode et l'electrode de commande est plus petite que la distance mi nimale nécessaire pour assurer l'amorçage de la décharge entre ces électrodes. Une partie de la surface interne de l'anode éloignée de la cathode est orientée vers le plasma de lueur négative de la décharge luminescente et sert de canal pour la sortie du rayonnement électronique hors des limites de l'espace de décharge en direction de la cible. Un changement des conditions à l'intérieur de la chambre dans laquelle est disposé ce dispositif, et, en particulier, un changement du vide ou de la composition du gaz, un changement de.la position et de la focalisation du rayonnement électronique, provoqu nt un changement des paramètres électriques de la décharge luminescente et un changement de la géométrie du rayonnement électronique a lieu. Une telle influence des conditions sur le fonctionnement du canon électronique est due à ce que le canal d'introduction du gaz dans l'espace de décharge est mis en communication avec la chambre dans laquelle sont installées les électrodes du canon. C'est pourquoi, au cours du fonctionnement, un changement de composition ou de pression du gaz dans la chambre entraîne aussi un changement de ces pa ramètres dans le canon, ce qui exerce une influence sur la stabilité de son fonctionnement.L'introduction dans la construction du canon d'électrodes complémentaires de commande, ainsi que l'application d'une différence de potentiel entre l'anode et l'électrode de commande en vue de compenser l'influence du changement de conditions dans la chambre rend plus complexe la construction du canon électronique et peut influencer négativement sur la fiabilité de son fonctionnement, ce qui est la conséquence de l'instabilité de la décharge entre l'électrode de commande et l'anode, surtout aux niveaux élevés de la pression du gaz. On connaît un canon électronique à décharge dans un gaz avec cathode froide (voir, par exemple, le brevet d'invention de Grande Bretagne NO 1 461 415, cl.HOl j 37/06 publié en 1977), comprenant un ensemble cathodique dont la cathode a une surface émettrice plane ou concave, et un ensemble anodique.L'ensemble anodique a-une surface cylindrique englobant la partie non émettrice de la cathode une surface plane disposée en face de la surface émettrice de la cathode et pourvue d'un orifice pour le passage du rayonnement électronique hors de l'espace de décharge vers la cible et une surface cylindrique contiguë à l'orifice et poursuivant la direction de propagation du rayonnement électronique à une distance plus grande à la largeur mini male de l'orifice, La surface cylindrique encerclant la partie non émettrice de la cathode et la partie plane de la surface de l'ensemble anodique sont éloignées de la surface cathodique d'une distance plus petite que la distance minimale nécessaire à 1' amorçage de la décharge luminescente entre ces surfaces.Une partie de la surface interne contiguë à l'orifice est orientée vers le plasma de la lueur négative et sert de canal pour la sortie du rayonnement électronique hors de la limite de l'espace de décharge. Cependant, les paramètres de la décharge luminescente dans le canon sont choisis de façon à assurer le croisement du rayonnement électronique avec le plasma de la lueur négative de la décharge luminescente dans les limites du volume limité par la surface contiguë à l'orifice de l'anode. Afin de commander les paramètres électroniques du canon et de les stabiliser, l'anode est reliée au point médian d'un diviseur de tension branché entre la cathode et la cible pièce à traiter).En appliquant et en changeant le potentiel négatif à l'anode par rapport à la cible on obtient l'amorçage et la décharge luminescente avec la cathode creuse entre l'anode et la cible servant de source supplémentaire d'électrons. L'amenée du gaz est réalisée directement dans la chambre dans laquelle sont disposées les électrodes du cahon et la cible, à travers le canal pratiqué dans la paroi de la chambre. Les paramètres de la décharge dans le canon sont influencés par les conditions existant à l'intérieur de la chambre dans laquelle ce canon est installé, tandis que la connexion de l'anode avec le point médian du diviseur de tension rend le fonctionnement du canon moins fiable. En outre, l'introduction du gaz de travail dans la chambre dans laquelle se trouvent le canon et la cible rend instable le fonctionnement du canon, ce qui est la conséquence du changement de la composition du gaz et du dérèglement de la rigidité électrique de la distance de décharge.La réalisation de la surface orientée vers le plasma sous la forme d'une surface cylindrique avec une section transversale invariable diminue la gamme de fonctionne- ment des paramètres de la décharge luminescente dans le canon et empêche d'augmenter sa puissance. Ainsi, l'augmentation de la puissance du canon, résultant du rapprochement du plasma et de la surface émettrice de la cathode, provoque une élargissement de la zone émettrice de la surface de la cathode, une augmentation du diamètre du rayonnement électronique et une augmentation de la puissance obtenue sur l'anode, due à l'interception par l'anode d'électrons du rayonnement électronique lui-même et d'électrons qui ont subi une diffusion lors de leur mouvement dans l'espace de décharge. On s'est donc proposé de mettre au point un canon électronique à decharge dans un gaz avec cathode froide, dans lequel la réalisation de la surface interne de l'ensemble anodique assurerait la fiabilité de fonctionnement du canon électronique à décharge dans un gaz et l'augmentation de sa puissance. Le problème est résolu à l'aide d'un canon électronique à décharge dans un gaz avec cathode froide comprenant un ensemble cathodique, dont la cathode a une surface émettrice, et un ensemble anodique dont une partie de la surface interne est orientée vers la surface non'énettrice de la cathode et est disposée par rapport à la cathode à une distance plus petite que la distance minimale nécessaire à l'amorgage de la décharge luminescente entre elles, une autre partie de la surface interne étant orientée vers le plasma de lueur négative de la décharge luminescente et comportant un canal pour la sortie du rayonnement électronique en dehors de l'espace de décharge du canon vers la cible, caractérisé, selon l'invention, en ce que la partie de la surface interne de l'ensemble anodique qui est orientée vers le plasma de lueur négative de la décharge luminescente, est réalisée sous la forme de surfaces disposées successivement dans la direction de propagation du rayonnement électronique suivant un corps de réyolution formant une cavité reliée à un canal servant à mesurer la pression du gaz dans l'espace de décharge et ayant une section transversale qui diminue dans la direction de propagation du rayonnement électronique de façon que la dimension transversale de la limite du plasma de la lueur négative de la décharge luminescente varie conformément à la dimension longitudinale de la zone de la chute cathodique du potentiel lors d'un changement de paramètres de la décharge luminescente, ce qui permet de maintenir constante la position du point focal du rayonnement électronique et de la surface annulaire formant la cavité annulaire reliée au canal d'introduction du gaz dans l'espace de décharge, à la partie inférieure de laquelle est fixé par sa partie inférieure un manchon disposé dans la zone du point focal du rayonnement électronique et dont le diamètre interne est plus grand que celui du rayonnement électronique à son point focal et la partie supérieure de la surface externe du manchon étant disposée par rapport à la surface annulaire à une distance plus petite que la lon gueur moyenne de libre parcours des molécules du gaz envoyé vers la cathode et de la surface formant le canal pour la sortie du rayonnement électronique hors de l'espace de décharge du canon. I1 est rationnel que la surface formant canal pour la sortie du rayonnement électronique soit recouverte d'une lentille magnétique dont le plan focal est disposé entre les extrémités inférieures et supérieures du manchon, ce qui est nécessaire pour diminuer les dimensions du canon et la quantité de métal pour sa construction, de même que pour améliorer la focalisation du faisceau électronique. Afin d'augmenter sensiblement la puissance, d'assurer la stabilité de fonctionnement du canon et de réduire ses dimensions transversales, il est rationnel aussi de réaliser des parois- doubles de l'ensemble anodique et de disposer entre ces parois suivant une spirale , les con duits du canal d'introduction du gaz dansl'espace de décharge et du canal de mesure de la pression de gaz dans l'espace de décharge dont les surfaces externcs forment, ensemble avec la surface interne des parois des canaux pour le refroidissement de l'ensemble anodique au moyen d'un agent classique d'échange thermique. L'utilisation de l'invention permetd'=lever la stabilité des propriétés électrono-optiques de la décharge dans le canon, d'assurer la constance de la géométrie du rayonnem,ent électronique, d'élargir la gamme de travail des pressiorsdu gaz dans l'espace de décharge et de réduire ou d'exclure entièrement la dépendance des paramètres de la décharge dans le canon vis à vis des conditions existant à l'intérieur de la chambre dans laquelle est introduit le rayonnement électronique. En outre, l'utilisation du canon électronique de décharge de gaz avec cathode froide suivant l'invention permet de diminuer les dimensions du canon électronique sans altérer la focalisation du rayonnement électronique et d'élever considérablement la puissance du canon. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux compris à la lecture de la description détaillée ultérieure de mode de réalisation concrèts en se référant au dessin annexé dont la Fig.Unique représente une vue d'ensemble du canon électronique à cathode froide. Le canon électronique représenté comprend un ensemble cathodique 1 composé d'une cathode 2, qui s'appuie contre un isolateur 3. La cathode 2 a une surface émettrice concave 4 et une surface non émettrice 5. L'ensemble anodique 6 comprend une surface interne dont une partie 7 est orientée vers la surface non émettrice 5 de la cathode 2, tandis que l'autre partie 8 est orientée vers le plasma 9 de lueur négative de la décharge luminescente. L'ensemble anodique 6 est pourvu aussi d'un canal 10 pour la sortie du rayonnement électronique hors des limites de l'espace de décharge en direction d'une cible 11. La partie 7 de la surface interne de l'ensem- ble anodique 6 est éloignéede la surface non émettrice 5 de la cathode 2 d'une distance plus petite que la distance minimale nécessaire à 1' amorçage de la décharge luminescente -entre l'ensemble d'anode 6 et la cathode 2. Une partie 8 de la surface interne de l'ensemble anodique 6 est orientée vers le plasma 9 de lueur négative de la décharge luminescente et est réalisée sous la forme de trois surfaces 12, 13,et 14 d'un corps de révolution disposées successivement dans la direction de la propagation du rayonnement électronique. La surface 12 forme une cavité qui est mise en communication avec un canal 15 pour la mesure de la pression du gaz dans l'espace de décharge à travers un orifice 16. La coupe transversale de la surface 12 diminue dans le sens de la propagation du rayonnement électronique de façon que la dimension transversale de la limite 17 du plasma 9 de lueur négative change conformément à la dimension longitudinale 18 de la zone de chute du potentiel cathodique. Cela permet de meintenir constante la position du point focal 19 du rayonnement électronique 20. Ainsi, on parvient à diminuer ou à exclure entièrement l'augmentation de la puissance apparaissant dans l'ensemble anodique 6 lors de l'augmentation de la puissance dans le rayonnement électronique 20. La surface 13 forme une cavité annulaire 21 dans laquelle la pression du gaz amené dans le canon par le canal 22 pour l'amenée du gaz mis en communication par l'orifice 23 avec la cavité 21 se stabilise. A la partie inférieure de la surfacé 13 est fixé à la partie inférieure d'un manchon 24, qui est diposé dans la zone du point focal 19 du rayonnement électronique 20. Afin de diminuer la puissance dégagée sur l'ensemble d'anode 6 par le rayonnement électronique 20 et par les électrons qui ont subi la diffusion dans le gaz remplissant l'espace de décharge, le diamètre du manchon 24 est plus grand que celui du rayonnement au point focal 19. La partie superieure de la surface externe du manchon 24 est éloignée de la surface annulaire 13 et de la surface 12 d'une distance plus petite que la longueur moyenne du libre parcours des molécules de gaz en formant un jeu 25 au travers duquel le gaz est amené en direction de la cathode 2. Ceci rend impossible la pénétration de la décharge dans la cavité 21 et l'on obtient une intensité suffisante du courant de gaz sortant du jeu 25 directement vers l'espace de décharge du canon, son mélange efficace et une stabilité élevée des paramètres de la décharge dans le canon au cours de son fonctionnement. La surface cylindrique 14 forme le canal pour la sortie du rayonnement électronique 20 hors de l'espace de décharge. A l'extérieur le canal 10 est recouvert d'une lentille magnétique 26. La position ontimale de la lentille 26 sera obtenue dans le cas où le point focal 19 du rayonnement électronique 20 coincidera à peu près avec le plan focal de la lentille magnétique 26 sur une distance focale minimale de la lentille magnétique 26. Un changement de cette position conduit à une altération de la focalisation du rayonnement électronique 20 sur la cible 11 ou bien à une augmentation des dimensions géométriques du canal 10 pour la sortie du rayonnement. Afin d'augmenter la puissance du canon, l'ensemble d'anode 6 est pourvu d'un système de refroidissement forcé. A cet effet, les parois de l'ensemble d'anode 6 sont doubles et, entre ces parois, sont disposés, suivant une spirale, les conduits du canal 22 pour l'introduction du gaz dans l'espace de décharge et du canal 15 pour la mesure de la pression du gaz dansl'espace de décharge, les surfaces externes de ceux-ci formant ensemble avec la surface interne des parois des canaux 27 servant à refroidir l'ensemble anodique 6 par un agent classique d'échange thermique 28 (par exemple de l'eau). Grâce aux canaux 27, la vitesse du du courant d'agent d'échange thermique 28 augmente et l'ef-ficacité de refroidissement de l'ensemble anodique 6 devient plus élevée. L'ensemble anodique 6 est muni de raccords 29 pour l'introduction et l'évacuation de l'agent d'échange thermique 28. Le canon électronique de décharge de gaz à cathode froide fonctionne de la manière suivante. Lors de l'introduction du gaz à partir du dispositif d'introduction du gaz (non représenté sur la figure) en suivant le canal 22 pour l'introduction du gaz dans'.l'es- pace de décharge du canon en arrivant dans l'espace par l'orifice 23, la cavité 21et le jeu 25 existant entre le manchon 24 et la surface 13 , il se crée dans ledit espace une pression nécessaire de gaz. Ladite pression est contrô- lée au moyen-d'un appareildemesureduvide (non représenté sur la figure), qui est relié au canal 15 pour la mesure de la pression de gaz dans l'espace de décharge. Ensuite entre l'ensemble cathodique 1 et l'ensemble anodique 6 est appliquée une différence requise de potentiel.Dans ces conditions dans l'espace de décharge du canon électronique à décharge dans un gaz s'amorce une décharge luminescente de haute tension dans laquelle la présence de deux zones est caractéristique la zone du plasma 9 de lueur négative de la décharge luminescente remplissant la cavité de l'ensemble anodique 6 limitée par les surfaces 12, 13 et 14 et une zone de la chute du potentiel cathodique disposée entre la limite 17 du plasma 9 de lueur négative de la décharge luminescente et la surface émettrice 4 de la cathode 2 et ayant une dimension 18 longitudinale relativement petite. Dans les limites de cette zone est concentrée pratiquement toute la différence de potentiel appliquée entre la cathode 2 de l'ensemble cathodique 1 et l'ensemble anodique 6.En même temps, dans l'espace entre la surface non émettrice 5 de la cathode 2 et lasurface 7 de l'ensemble anodique 6 avec l'isolateur 3 la décharge n'a pas lieu, ce qui est dû à une faible distance entre ces surfaces La zone de la chute du potentiel cathodique, délimitée par la limite 17 du plasma de lueur négative, par la surface émettrice 4 et par une partie de la surface non émettrice 5 de la cathode 2 adjacente à ladite surface 4, représente un système iono-électronique combiné où sous i-'effet du bombardeent par les ions du plasma 9 de lueur négative et par les particules neutres rapides la surface émettrice rigide 4 de la cathode 2 émet des électrons. Avec cela, la limite 17 du plasma 9 de lueur négative fait oriffi- ce d'une surface émettant des ions positifs.Les ions en se déplaçant à partir de la limite 17 du plasma 9 de lueur négative subissent une recharge grâce à laquelle se forment des particules neutres rapides et créent une répartition nécessaire de la densité du courant suivant-la-surface émettrice 4 de la cathode 2. Les trajectoires des électrons dans le rayonnement sont déterminées par la configuration du champ électrique dans les limites de la couche cathodique, surtout à proximité de la surface émettrice 4 de la cathode 2, tandis que les trajectoires des ions sont déterminées par la repartition du champ électrique à proximité de la limite 17 du plasma 9 de lueur négative. Cependant, lors d'un changement des paramètres de la décharge, la configuration de la limite 17 du plasma 9 de lueur négative change et, par conséquent, les trajectoires des ions positifs et la configuration du champ électrique à l'intérieur de la couche cathodique changent elles aussi, ce qui peut conduire à un abaissement indésirable du rendement du canon électronique. Etant donné que la section transversale de la partie 12 de la surface interne 8 de l'ensemble anodique 6 diminue dans la direction de propagation du rayonnement électronique 20 de façon que la dimension transversale de la limite 17 du plasma 9 de lueur négative change en fonction de la dimension longitudinale 18 de la zone de chute du potentiel cathodique afin que la position du point focal 19 reste pratiquement constante, baisement indésirable du rendement du canon de à un changement de la géométrie du rayonnement électronique 20, surtout àproximité du manchon 24, n'a pas lieu lors d'un changement des paramètres de la décharge luminescente dans les limites de la gamme de travail. Le rayonnement électronique 20 sorti des limites de l'espace de décharge et se dispersant après la passage du manchon 24 est focalisé à- l'aide de la lentille magnétique 26 et ayant franchi le canal 10 de sortie du rayonnement électronique sans toucher la surface interne 14, il atteint la cible 11. Dans le but d'augmenter la puissance du canon et d'élever la stabilité de son fonctionnement (surtout, aux régimes non calculés) on introduit dans les canaux 27 et on évacue ensuite ces canaux, un agent classique 28 d'échange thermique (notamment l'eau? par l'intermédiaire des raccords 29. Ainsi, la présente invention permet d'augmenter la sûreté et la stabilité de fonctionnement des canons électroniques à décharge dans un gaz avec décharge luminescente de haute tension et de rendre leur puissance plus grande. R E V E N D I C A T I O N S REVENDICATIONS 1. Canon électronique à décharge dans un gaz avec cathode froide comprenant un ensemble cathodique ( dont la cathode (2) a une surface émettrice concave et un ensemble anodique (6) dont une partie (2) de la surface interne est orientée vers la surface (5) non émettrice de la cathode et est disposée par rapport à la cathode à une distance plus petite que la distance minimale nécessaire à l'amorçage de la décharge luminescente entre elles, une autre partie (8) de la surface interne étant orientée vers le plasma (9) de lueur négative de la décharge luminescente et comportant un canal pour la sortie du rayonnement électronique hors des limites de l'espace de décharge du canon vers la cible (11), caractérisé en ce que la partie (8) de la surface interne de l'ensemble anodique (6) qui est orientée vers le plasma de lueur négative de la décharge luminescente est réalisée sous la forme de surfaces (12, 13, 14) disposées sucessivement dans la direction de propagation du rayonnement électronique suivant un corps de révolution formant une cavité reliée à un canal (15) de mesure de la pression du gaz dans l'espace de décharge et ayant une section transversale qui diminue dans la direction de propagation du rayonnement électronique (20) de façon que la dimension transversale de la limite (17) du plasma de lueur négative de la décharge luminescente varie én conformité de la dimension longitudinale de la zone de chute lors d'un changement de paramètres de la décharge luminescente cathodique, ce qui permet de maintenir constante la position du point focal (19) du rayonnement électronique et de la surface annulaire formant une cavité annulaire (21) reliée au canal (22) pour l'introduction du gaz dans l'espace de décharge, à la partie inférieure de laquelle est fixé par sa partie inférieure un manchon (24) disposé dans la zone du point focal (19) du rayonnement électronique et dont le diamètre interne est plus grand que celui du rayonnement électronique à son point focal et la partie supérieure de la surface externe du manchon (24) étant disposée par rap port à la surface annulaire à une distance plus petite que la longueur moyenne de libre parcours des molecules du gaz envoyé vers la cathode et de la surface formant le canal pour la sortie du rayonnement électronique hors de l'espace de décharge du canon. 2. Canon électronique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la surface formant le canal pour la sortie du rayonnement électronique hors des limites de l'espace de décharge est recouverte d'une lentille magnétique (26) dont le plan focal est disposé par rapport à l'extrémité inférieure du manchon à une distance plus grande que le diamètre interne du canal pour la sortie du rayonnement électronique. 3. Canon électronique suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les parois de l'ensemble anodique (6) sont doubles et, entre ces parois sont installés suivant une spirale les conduits du canal (22) pour l'introduction du gaz dans l'espace de décharge et du canal (16) pour la mesure de la pression du gaz dans l'espace de décharge, dont les surfaces externes forment ensemble avec la surface interne des parois des canaux pour le refroidissement de l'ensemble anodique (6) au moyen d'un agent classique d'échange thermique.