Brevet FR2525808A1 — publié le 19831028

CATHODE THERMOELECTRONIQUE La présente invention concerne les sources d'électrons dénommées cathodes thermoélectroniques et particulièrement celles dites cathodes à réserve ou "dispenser cathodes" en langage anglo-saxon, dont la structure est bien connue. Elles sont constituées par une matrice poreuse souvent en tungstène, soit seul, soit combiné à d'autres métaux comme l'osmium ou l'iridium connus pour conférer des propriétés d'émissivité particulières. Cette matrice poreuse est imprégnée d'un composé à base d'oxydes alcalino-terreux. Elle est fixée sur un support taillé dans un métal réfractaire, souvent du molybdène, qui contient le filament de chauffage lorsque la présence de celui-ci est nécessaire. La fixation est obtenue couramment : par brasage, donc avec apport de métal, par soudage sans apport de métal, par sertissage, etc... Lorsque les dimensions de la cathode dépassent quelques millimètres, le mode de fixation souvent préféré est le brasage qui permet, en principe, de relier de façon continue la matrice à son support sur toute la surface de contact. Cela est bénéfique pour les transferts thermiques entre ces deux éléments. Les métaux ou alliages d'apport de brasage doivent être sélectionnés pour leur innocuité, partielle sinon totale, vis-à-vis des propriétés émissives de la cathode et pour avoir une température de fusion nettement supérieure à la température maximale que pourra atteindre la cathode au cours de son existence. Mais si, en outre, il est désiré de braser avant l'imprégnation, et cela est recommandé pour conserver ses qualités à l'imprégnant, la température de fusion de la brasure doit dépasser les 175O0C atteints souvent lors de l'imprégnation, d'où l'emploi fréquent d'alliages de brasure à base de molybdène-ruthénium, éventuellement additionnés de quelques pour cents de nickel ayant une zone de température de fusion de 1900"C environ. Le brasage d'effectue donc entre la matrice poreuse non imprégnée, c'est-à-dire dont les porosités sont vides, et le support. Un premier problème apparaît alors : lorsque les surfaces matrice-support en regard dépassent une valeur de quelques centimètres carrés, il est difficile d'obtenir un joint brasé sans cavités, uniformément compact, si ce n'est en maintenant la brasure à l'état fondu pendant un temps de plusieurs minutes. Dans ces conditions, la brasure pénètre plus ou moins profondément dans la matrice poreuse, prenant ainsi la place du composé alcalino-terreux et ceci d'autant plus facilement que l'imprégnation se fait à température très élevée. Cela entratne la mise au rebut de la cathode. De plus, I'expérience montre que même si la brasure ne s'infiltre pas dans le corps émissif poreux lors du brasage, des éléments de cette brasure peuvent le faire ensuite, pendant la vie active de la cathode, par migration à l'état solide, et parvenir jusqu'à la surface émissive. Cela peut détruire en partie la bonne émission de la cathode. Ce phénomène se produit même lorsque le brasage est fait après imprégnation t il prend d'autant plus d'importance que la température de fusion de la brasure choisie est voisine de la température de fonctionnement de la cathode. Un second problème, qui existe aussi même lorsque le brasage est effectué après imprégnation, provient des écarts de dilatation thermique entre la matrice et son support, car ils sont constitués généralement de matériaux différents ainsi qu'il a été vu plus haut: par exemple, le tungstène et le molybdène. De plus, ils se trouvent à des températures différentes lorsque la cathode dont ils font partie, fonctionne. Des contraintes mécaniques apparaissent donc inévitablement, provoquant trop fréquemment des fissures dans la matrice poreuse qui est mécaniquement plus fragile que le support et dont l'élasticité est particulièrement réduite. Ces phénomènes sont spécialement gênants pour les cathodes sur lesquelles retombe une partie des électrons émis dans un premier temps, les soumettant ainsi à un bombardement électronique en retour. C'est le cas, par exemple, des cathodes pour magnétrons, et plus généralement des cathodes pour tubes dits "à champs croisés". Dans les conditions les plus courantes d'emploi, une telle cathode est portée à une température permettant l'obtention du niveau d'émission électronique désiré à l'aide d'un filament chauffant incorporé. Or cette température est la résultante des énergies apportées 1tzar le filament chauffant d'une part, et par le bombardement électronique en retour d'autre part. Po in des raisons de fonctionnement plus correct, il peut être nécessaire de diminuer une température excessive ; une limitation ou une ìnnulation de chauffage filament ne sera pas toujours suffisant- l'effet de bombardement en retour étant capable à lui seul de t -r'férer à la cathode une température trop élevée. I1 faut alors refroidir la cathode, soit par rayonnement thermique, soit par conduction thermique. Dans ce cas, la partie trop chaude, qui reçoit l'énergie du bombardement électronique, doit être reliée par une résistance thermique aussi faible que possible à la partie du support située en dehors de l'enveloppe du tube.Cette zone, facile d'accès, peut alors être refroidie par ventilation naturelle, ou forcée, ou bien par circulation d'un liquide eau, huile, etc... Dans ces conditions, I'absence de fissures dans la matrice poreuse, ainsi que la compacité du joint reliant celle-ci à son support, prennent beaucoup d'importance. La cathode thermoélectronique selon l'invention permet d'apporter simultanément une solution aux deux problèmes précités. La cathode thermoélectronique selon l'invention comporte une matrice poreuse, imprégnée d'un produit émissif et fixée sur un support, et au moins une couche compacte interposée entre la matrice poreuse et le support. Les objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins ci-annexés dans lesquels: - les figures la et lb représentent deux types de cathodes thermoélectroniques selon l'art antérieur. --Les figures 2a et 2b représentent deux types de cathodes thermoélectroniques conformes à l'invention. Des éléments identiques sur les figures la, lb, 2a et 2b portent les mêmes repères. Sur les figures la et lb on a représenté respectivement, en coupe longitudinale, un premier et un second types de cathodes thermoélectroniques selon l'art antérieur. Sur ces deux figures on a représenté en 1 une matrice poreuse imprégnée d'éléments à base d'oxydes alcalino-terreux, en 2 un support de cathode, en - 3 un filament chauffant et en 4 la zone ressortant d'une enveloppe 5 qui renferme les éléments actifs du tube électronique, et permettant d'accéder aux connexions électriques cathode et filament. Les cathodes -représentées sur les figures la et lb ont un support 2 qui est cylindrique et creux. La matrice poreuse 1 de la cathode représentée sur la figure la est située à l'extrêmité du support cylindrique 2 ; celle de la cathode représentée sur la figure lb entoure le support cylindrique 2. La cathode représentée à -la figure la est généralement utilisée dans les klystrons ou dans les tubes à onde progressive alors que la cathode représentée à la figure lb est plus particulièrement utilisée dans les magnétrons. Dans les deux cas, la matrice poreuse 1 est directement fixée au support 2 par brasage. Il en résulte de nombreux inconvénients qui sont liés aux problèmes mentionnés dans l'introduction, à savoir l'infiltration de la brasure dans les pores de la matrice 1, et les contraintes mécaniques apparaissant dans cette matrice. La cathode selon l'invention permettant d'éviter' ces - incon- vénients, est représentée aux figures 2a et 2b. Les figures 2a et 2b correspondent respectivement aux mêmes types de cathodes que les figures la et lb. Sur les figures 2a et 2b, la surface de la matrice poreuse 1, qui sera en contact avec la brasure fondue lors de sa liaison au support 2, est préalablement revêtue d'une couche compacte 6, de préférence du même métal que celui qui la constitue ou d'un métal ayant un coefficient de dilatation voisin du métal qui la constitue. Ainsi, lorsque la matrice 1 est en tungstène, elle sera revêtue d'une couche compacte 6 en tungstène. Cette couche peut aussi être constituée de matériaux différents de celui ou ceux de la matrice poreuse, et dans le cas de l'emploi de combinaison de plusieurs matériaux pour cette couche, ceux-ci peuvent être, soit mélangés, soit déposés en couches superposées, les buts recherchés étant soit séparément, soit conjointement: - d'obtenir une cloison étanche s'opposant à la pénétration de la brasure dans les pores de la matrice; - de soulager la matrice poreuse d'une partie au moins des contraintes provoquées par le support de cathode. Suivant un mode de réalisation préféré, mais non limitatif, cette couche peut être obtenue par décomposition chimique en phase vapeur, dite plus simplement DCPV dans la suite de ce texte. Lorsque la matrice à renforcer est en tungstène poreux, la couche sera obtenue par exemple par décomposition d'hexafluorure WF6 ou d'hexachlorure WC 16 de tungstène en présence d'hydrogène entre 6000 et 11000. La nouvelle surface obtenue est souvent rugueuse, et il peut être avantageux, sans que cela soit nécessaire, de l'usiner par des moyens conventionnels : tournage, rectification, etc... avant assemblage et brasage sur le support. La matrice poreuse ainsi apprêtée peut alors subir l'opération de brasage en utilisant les procédés habituels, mais la couche de protection permettra de surchauffer la brasure dans de très fortes proportions facilitant son immixion dans tous les points du joint à combler. Suivant le mode de réalisation qui vient d'être décrit, la couche de protection est déposée par DCPV sur la matrice poreuse après que celle-ci ait été préalablement mise en forme, mais l'ordre inverse est possible. Dans ce cas, la couche de protection n'est pas obtenue par DCPV, mais elle est préparée en premier, par exemple par des procédés habituels de métallurgie: par frittage des poudres, ou bien par usinage dans une ébauche de métal, barreau ou tube ; puis, dans une deuxième étape, la matrice poreuse sera moulée sur la couche de protection. Dans les exemples de réalisation qui ont été décrits, on n'a mentionné qu'une seule couche compacte 6. Néanmoins, il est possible, sans rien changer au principe de l'invention d'utiliser plusieurs couches superposées ayant les mêmes propriétés que la couche compacte 6. Le fait de disposer plusieurs couches superposées peut notamment permettre, %râpe à un changement progressif des coefficients de dilatation des matériaux constituant ces différentes couches, d'assurer une meilleure protection de la matrice poreuse vis-à-vis des contraintes mécaniques. REVENDICATIONS 1. Cathode thermoélectronique comportant une matrice poreuse (1) imprégnée d'un produit émissif et fixée sur un support (2), caractérisée en ce qu'au moins une couche compacte (6) est interposez entre la matrice poreuse (1) et le support (2). 2. Cathode selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche compacte (6) est réalisée dans le même matériau que la matrice poreuse (1). v. Cathode selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche compacte (6) est réalisée dans un matériau différent de celui dans lequel est réalisée la matrice poreuse (1). 4. Cathode selon la revendication 3, caractérisée en ce que la couche compacte (6) est constituée de plusieurs matériaux ayant des toefficients, de dilatation voisins de celui de la matrice poreuse (1). 5 Cathode selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée el7 cv que la couche compacte (6) est obtenue par décomposition chimique en phase vapeur. 6. Cathode selon la revendication 5,, dans laquelle la matrice poreuse (1) est en tungstène poreux, soit seul soit combiné à l'osmium ou l'iridium, caractérisée en ce que la couche compacte (6) est obtenue par décomposition d'hexafluorure de tungstène en présence d'hydrogène. 7. Cathode selon la revendication 5, dans laquelle la matrice poreuse est en tungstène poreux, soit seul soit combiné à l'osmium ou l'iridium, caractérisée en ce que la couche compacte (6) est obtenue par décomposition d'hexachlorure de tungstène en présence d'hydrogène. 8. Cathode selon l'une des revendications I à 4, caractérisée en ce que la couche compacte (6) est obtenue par frittage de poudres métalliques, la matrice poreuse (1) étant alors moulée sur la couche compacte (6). 9. Cathode selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la couche compacte (6) est obtenue par usinage dans une ébauche de métal, la matrice poreuse (1) étant alors moulée sur la couche compacte (6). 10. Cathode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la couche compacte (6) est fixée au support (2) par brasage.