Brevet FR2514945A1 — publié le 19830422

ÇATHODE A CHAUFFAGE INDIRECT ET TUBE ELECTRONIQUE. A RAYONS CATHODIQUES NOTAMMENT, MUNI D'UNE TELLE CATHODE. L'invention concerne une cathode à chauffage indirect. L'ensemble émissif que l'on trouve couramment dans bon nombre de tubes électroniques, les tubes à rayons cathodiques notamment, consiste en une cathode dite "à oxydes", à chauffage indirect, constituée principalement par un filament logé dans une pièce creuse formant le corps de cathode ; le filament est placé dans la pièce creuse, sans contact avec elle, et lui transmet sa chaleur par rayonnement. L'émission est fournie par une couche d'oxydes mixtes de baryum, strontium et calcium (Ba, Sr, Ca) O recouvrant une partie de la surface du corps de cathode, lui-même en nickel de composition contrôlée et dopé d'un réducteur tel que le magnésium ; pour fixer les idées, on rappellera que le corps de cathode a généralement la forme d'un petit cylindre embouti, dont la face terminale concave ou plane porte le revêtement émissif. En fonctionnement, la température de cette partie de la cathode est voisine de 800"C. Pour cela, la température du filament, libre dans le corps de cathode qu'il chauffe par rayonnement, doit être voisine de 10500C. Ce dernier est généralement constitué de tungstène pur, recouvert d'alumine. Quant à l'émission, elle a lieu grâce-à la formation de baryum libre dans la couche d'oxydes, résultant de divers phénomènes dont elle est le siège en fonctionnement, et dans le détail desquels on ne rentrera pas ici. Le travail de sortie est dans ces conditions de leV. Au cours du fonctionnement, le baryum libre migre à la surface et s'évapore au fur et à mesure que l'émission se poursuit, si bien que celle-ci finit par décrotte sensiblement, pour cesser lorsque la réserve de baryum est épuisée ; cet épuisement se produit d'autant plus vite que l'émission est forte et un compromis est nécessaire entre la durée de vie D et la densité J du courant émis ; au delà d'une densité de 1 ampère par centimètre carré environ (lA/cm2), calculée au centre de la cathode, le produit de ces deux quantités, pratiquement constant, est fixé par la quantité totale de produit émissif disponible. Les caractéristiques de la cathode subissent la même évolution dans le temps. Pour certains tubes professionnels, necessitant des débits de cathode plus importants et une bonne stabilité de caractéristiques, il convient de faire appel à un autre type de cathode, la cathode "imprégnée". La partie émissive de cette cathode est constituée d'une pastille de tungstène poreux (20 % de prorosité globale généralement) imprégnée d'aluminates de baryum, calcium. L'émission est rendue possible par la formation, sous l'action de la température, d'une monocouche dipolaire Ba - O qui se forme à la surface du pavé de tungstène et qui abaisse le travail de sortie des électrons juqu'à 2eV, valeur toutefois supérieure à celle des cathodes à oxydes donnée plus haut, imposant une température de fonctionnement plus élevée. La structure de la cathode devient alors plus complexe. En effet, la température idéale de fonctionnement, correspondant au travail de sortie minimum, approximativement 10300C, impose au filament, pour des raisons de tenue mécanique, de chauffer la cathode non plus par rayonnement mais par conduction. L'écart de température, soit 200C, entre filament et cathode est alors moindre que dans le cas du filament libre des cathodes a oxydes, où il était de 250"C d'après ce qui précède. Un tel filament est dit "filament bloci' et sa réalisation prévoit de combler l'espace filament cathode par une masse d'un matériau isolant électriquement, de l'alumine, par exemple.Pour une même puissance de chauffage, il y a en outre nécessité- d'ajouter un écran thermique supplémentaire d'épaisseur très faible. La cathode se trouve ainsi en général munie de deux écrans, ou déflecteurs, qui permettent l'obtention de la température avec les alimentations et les puissances standard utilisées pour les cathodes à oxydes. En résumé, pour des causes inhérentes aux principes de fonc tionnement, la durée de vie de la cathode imprégnée ne dépend que de la température qui détermine le flux de baryum migrant vers la surface par les pores du pavé, et l'on peut, dans les limites du courant de saturation, obtenir des densités de courant au centre de la cathode dix fois supérieures aux limites raisonables pour les cathodes à oxydes, sans affecter leur durée de vie. La réserve de baryum est, en effet, suffisante pour que la durée de vie de la cathode ne soit pratiquement pas limitée par la quantité totale d'atomes disponibles. C'est ce qui se produit aussi dans une certaine mesure, avec les cathodes simples, à couche, précédentes, lorsque la densité d'émission demandée est faible (inférieure à lA/cm2 d'après les chiffres cités). Cependant, un tel système à filament bloc , présente une inertie thermique non négligeable et qui peut nécessiter, dans le cas d'un besoin de mise en oeuvre rapide le maintien en permanence sous tension - réduite éventuellement - du filament. De plus, la réalisation du filament bloc, de part les manipulations nécessaires, augmente considérablement le coût de la cathode. Pour de plus amples informations concernant ces sortes de cathodes, on pourra se reporter notamment aux rapports des travaux du Congrés International du Centenaire de la Cathode à Oxydes publié par la revue "Le vide" - n" 51, Mai 1954. L'invention décrit une cathode présentant les avantages d'une cathode imprégnée, à savoir une grande densité de courant et une longue durée de vie, alliés à ceux des cathodes à oxydes les plus simples, à filament chauffant libre dans l'espace intérieur du corps de la cathode. L'utilisation d'un tel filament chauffant, exerçant son action par rayonnement, entraîne, comme dans le cas de ces cathodes simples, I'existence d'un fort gradient de température, chiffré plus haut à environ 2500 C. Comme d'autre part les cathodes imprégnées nécessitent une température de 10300C environ selon les indications précédentes, des dispositions sont prévues pour réduire au minimum les pertes thermiques de l'ensemble cathodique en fonctionnement, dans les conditions qui seront précisées. L'invention sera mieux comprise en se reportant à la description qui suit et aux figures jointes qui représentent; - figure l: : Une vue en coupe schématique d'une cathode à oxydes telle que connue de l'art; - figure 2 : Une vue en coupe schématique d'une cathode imprégnée telle que connue de l'art; - figure 3 : Une vue en coupe schématique de la cathode de l'invention. La figure l montre une cathode à oxydes telle que connue de l'art. Le corps de cathode 1 consiste en un cylindre creux fermé à l'une des ces extrémités, fait dans l'exemple en deux parties 10 et li; partie Il, qui en constitue le fond, porte le revêtement émissif d'oxydes désigné par le repère 2. Un écran thermique 3, ou déflecteur est fixé par tout moyen au corps de cathode, à sa base comme le montre le dessin. Une entretoise en matériau électriquement isolant 4 sert de soutien à l'ensemble monté dans le tube. A l'intérieur du cylindre creux est déssiné schématiquement le filament chauffant 5, sans contact avec le corps de cathode, dans lequel il est libre. La figure 2, montre un exemple de cathode imprégnée telle que comme de l'art également. On y retrouve, avec les mêmes repères un certain nombre des éléments de la figure l. Les différences avec cette dernière portent sur la structure du corps de cathode. Une pièce épaisse 110 comporte à sa partie supérieure un évidemment rempli du corps émissif, lequel comme on l'a dit consiste en une pastille de tungstène poreuse 20 imprégnée d'aluminates ; à sa partie inférieure cette pièce est creusée pour recevoir le filament chauffant 5 qui,ici, est noyé dans une masse pulvérulente d'un corps électriquement isolant, de l'amunine par exemple, portant le repère 6 et représentée sur le dessin par la surface couverte de points. La pièce épaisse 110, constituée d'un métal à haut point de fusion ou réfrataire, est généralement obtenue par tournage à partir d'un barreau de ce métal. Des traitements thermiques sont nécessaires pour stabiliser et la pastille émissive 20 et l'isolant dans lequel est noyé le filament. La nature des métaux, la structure des pièces et ces traitement thermiques augmentent considérablement le coût de l'ensemble cathodique par rapport au cas précédent. De plus, un écran thermique supplémentaire, outre l'écran 3, est à prévoir sous forme d'un cylindre, en métal réfractaire lui aussi, et de très faible épaisseur, 7 sur le dessin. La figure 3, montre la structure d'une cathode de l'invention elle est donnée à titre non limitatif, étant admis que toutes les variantes de détails accessible à l'homme de l'art qui pourraint y être apportées seraient également comprises dans la portée de l'invention. Dans la structure représentée, le corps de cathode est constitué par un tube lisse 8 de très faible épaisseur en un métal réfractaire, par exemple le mobybdène déjà cité, ou le tantale notamment, ou en un alliage éventuellement. La partie supérieure du tube est obturee par la pastille emissive constituée, comme dans Exemple de la figure 2, et qui porte le même repère 20. A I'intérieur du tube, sous la pastille, est logé le filament chauffant 5, disposé libre dans le tube, c'est-à-dire sans contact avec lui ; il est soutenu dans cette position par tout moyen, non représenté, comme dans le cas de la figure 1. Il est revêtu d'un isolant électrique,de l'alumine A12 03, par exemple. Le tube 8 est choisi de très faible épaisseur, de façon à constituer un écran thermique par le fort gradient de température régnant, en fonctionnement, entre son extrémité supérieure, à la température de la pastille émissive, et son extrémité opposée. Il peut être obtenu par exemple, à partir d'une feuille du métal choisi roulée puis soudée, électriquement le long d'une génératrice ; son épaisseur est de l'ordre du centième de millimètre ; valeur alliant une bonne tenue mécanique et une action efficace comme écran est de 15 micrométres. Cette épaisseur n'est pas représentée à l'échelle sur le dessin de la figure 3, ni en proportion avec les tubes (10, 7) occupant la même position dans les autres figures et qui sont, au contraire, beaucoup plus épais dans l'art antérieur de ces figures.On a cité parmi les métaux réfractaires le mobybdène comme matériau constitutif de ce tube ainsi que le tantale. Un alliage de mobybdène et de rhénium à 50 %, par exemple convient aussi très bien à cet usage. La pastille émissive 20 est préparée dans les conditions connues pour une bonne porosité et pour éviter la migration des oxydes vers l'espace filament inférieur. Elle est ensuite introduite dans le tube de manière à affleurer à l'extrémité de celui-ci, puis soudée à celuici par tout moyen, le soudage électrique notamment. L'écran thermique 3 et !'entretoise 4, en céramique, sont fixés comme dans le cas des cathodes à oxydes ordinaires, suivant la figure 1. Le laser ou la brasure peuvent être utilisés, de façon générale, à la place de la soudure électrique. Dans une version préférée de l'invention, on utilise un filament de tungstène au rhénium, à 3 % de ce dernier corps, au lieu d'un filament en tungstène pur, de manière à obtenir la température, de l'ordre de 11500C à 12009C, nécessaire au chauffage de la pastille. Celle-ci, toujours dans une version préférée, est constituée de tungstène imprégné au scandate de baryum,de formule 2Sc2 03, 3 Ba O de préférence aux aluminates mentionnés (dans ce cas, une couverture d'osmium était prévue sur la face avant de la pastille). Dans ces conditions, on opére avec un filament dont la température est comprise entre les valeurs citées pour une température d'émission de la pastille de 9200C à 930"C ; les mêmes alimentations que celles des cathodes à oxydes ordinaires, selon la figure 1, peuvent être utilisées (6.3V - 300 mA pour une cathode de 2 2W). On obtient ainsi des densités élevées de l'ordre de 6 à 8 A/cm2, de longue durées de vie et un coût relativement faible à la réalisation et Pexploitation. Les caractéristiques de la cathode de l'invention lui permettent d'être utilisée dans tous les tubes à rayons cathodiques néces sitant une charge de cathode élevée, des caractéristiques électriques stables ou la possibilité d'une mise en oeuvre rapide. Certains tubes professionnels demandent une telle densité de courant élevée au niveau de la cathode pour permettre une grande densité énergétique du spot. Ces tubes sont par exemple: - les tubes de mesure à grande bande passante (en particulier supérieure à 100 megahertz). Leurs canons sont très diaphragmés, et les électrons utiles sont ceux en provenance de l'extrême centre optique de la cathode, qui doit alors pouvoir émettre en son centre une densité de courant élevée. - les tubes pour avionique demandant une très forte luminosité liée directement à la densité de courant débitée par la cathode. - les tubes moniteurs à très haute définition. REVENDICATIONS 1. Cathode à chauffage-indirect, constituée d'un corps creux muni d'une pastille poreuse (20) d'un métal à haut point de fusion imprégnée d'une matière émissive pour l'émission d'électrons à partir d'une certaine température, et contenant un filament chauffant en fonctionnement ladite pastille à cette température, caractérisé en ce que ce corps creux consiste en un tube mince (8) en métal obturé à l'une de ses extrémités par ladite pastille (20) et dans lequel le filament(5) est logé sans contact avec lui. 2. Cathode suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ledit tube (8) est fait de tantale de 15 micrométres d'épaisseur. 3. Cathode suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ledit tube (8) est fait d'un alliage de mobybdène et de rhénium, à 50 %. 4. Cathode suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le métal à haut point de fusion est le tungstène et la matière émissive du scandate de baryum de formule 2Sc2 03, 3 Ba 0. 5. Cathode suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le filament (5) est fait d'un alliage de tungstène et de rhénium à 3 % de rhénium. 6. Tube électronique, à rayons cathodiques notamment, caractérisé en ce qu'il comporte une cathode suivant l'une des revendications 1 à 5.