Brevet FR2537338A1 — publié le 19840608

CATHODE THERMOELECTRONIQUE ET PROCEDE DE REALISATION D'UNE TELLE CATHODE La présente invention concerne les sources d'électrons appelées cathodes thermoélectroniques ainsi qu'un procédé de réalisation de telles cathodes. Elle concerne plus particulièrement les cathodes à réserve ou "dispenser cathodes" en langue anglaise dont la structure est bien connue. De telles cathodes sont constituées par une matrice métallique poreuse réalisée de préférence en tungstène seul ou combiné à d'autres métaux connus pour leurs propriétés d'émissivité tels que l'osmium ou l'iridium La matrice poreuse est fixée en général par brasage sur un support en métal réfractaire tel que le molybdènes ledit support contenant éventuellement un filament de chauffage.De plus7 9a matrice poreuse est imprégnée avec un matériau émissif à base d'alcalino-terreux tel qu'un mélange d'aluminates de baryum et de calcium en proportions déterminées Durant le fonctionnement de telles cathodes2 du baryum est libéré par les pores et la -surface émissive de la cathode ~ est alors recouverte par cet élément En définitive le baryum s'évapore de la cathode par la surface émissive sous un taux directement lié à la température de fonctionnement. Toutefois2 du baryum s'échappe aussi par les surfaces latérales théoriquement non émissives de la matrice poreuse induisant ainsi dans ces zones une émission électronique souvent indésirable. Ce phénomène est particulièrement géyant dans certains types de tubes à onde progressive par exemple. Ainsi2 lorsque dans un tube à onde progressive l'électrode la plus proche de la cathode2 à savoir le whenelt, se trouve polarisée à des potentiels pouvant atteindre le kilovolt par rapport à la cathode, des flashes peuvent se produire entre la cathode et le whenelt si de la matière émissive s'est échappée par la surface latérale de la cathode et s'est déposée sur le whenelt. D'autre part, lorsque la présence d'une ou plusieurs grilles à la surface de la cathode a entrainé l'éloignement du whenelt de la surface émissive, ce dernier ne parvient plus à corriger correctement les champs présents sur les bords delta surface émissive. En conséquence, pour minimiser les inconvénients mentionnés cí-dessus on a proposé de rapporter sur la surface latérale non émissive de la matrice poreuse une bague en molybdène fixée par soudage ou brasage. Or lorsque l'on utilise une telle bague, il est très difficile d'obtenir un collage parfait entre la matrice poreuse et la bague. La présente invention a en conséquence pour but de fournir une solution plus simple et plus économique aux problèmes ci-dessus. Elle -a donc pour objet une cathode thermoélectronique comportant une matrice poreuse imprégnée d'un produit émissif et fixée sur un support, caractérisée en ce que les faces non émissives de la matrice poreuse sont recouvertes d'une couche compacte d'un matériau réfractaire, Le matériau réfractaire peut être choisi parmi le tungstene, le molybdène ou tout autre matériau réfractaire compatible avec les conditions de fabrication et de fonctionnement de la cathode. Selon un mode de réalisation préférentiel utilisé dans le cas d'une couche compacte en tungstène, cette couche est réalisée par décomposition chimique en phase vapeur d'hexafluorure ou d'hexachlorure de tungstène en présence d'hydrogène à une température comprise entre 400 et 11000C. Toutefois cette couche peut aussi être obtenue par frittage de poudres métalliques.ou par déport à l'ai de d'un pistolet plasrna. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture de la description de divers modes d réalisation faite ci-après avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels: - les figures la et lb représentent deux types de cathodes thermoélectroniques de l'art antérieur représentées sans bague; - les figures 2a et Zb représentent deux types de cathodes thermoélectroniques selon la présente invention; - la figure 3 représente s.-hérr.atiqklernent une cathode pour carcinotron de type O conforme à l'art antérieur;; - les figures 4a à 4c représentent schématiquement les différentes étapes de réalisation d'une cathode pour carcinotron de type O conforme à la présente invention Dans les différentes figures les mêmes éléments portent les mêmes références. Sur les figures la et lbS on a représenté respectivement, en coupe longitudinale2 un premier et un second types de cathodes thermoélectroniques selon l'art antérieur. Les figures 2a et 2b correspondent respectivernent aux mêmes types de cathodes que les figures la et lb, lesdites cathodes étant revêtues d'une couche compacte conformément à la présente- invention Sur ces figures2 la référence l désigne la matrice poreuse imprégnée d'un matériau émissif à base d'alcalino-terreux qui peut être constitué par un mélange d'aluminates de baryum et de calcium par exemple.La référence 2 désigne le support de cathode réalisé de préférence en métal réfractaire sur lequel est fixée en général par brasage la matrice poreuse B. La référence 3 désigne le filament chauffant placé à l'intérieur du support 2. La référence 4 désigne la zone resortant d'une enveloppe 5 qui renferme les éléments actifs du tube électronique et permet d'accéder aux connexions électriques cathode et filament. Les cathodes représentées sur les figures la, lb2 2a et 2b ont un support 2 qui est cylindrique et creux. La matrice poreuse 1 de la cathode représentée sur les figures la et 2a est située à l'extrémité du support cylindrique 2, celle de la cathode représentée sur les figures lb et 2b entoure le support cylindrique 2. En fait, la cathode représentée aux figures la et 2a est généralement utilisée dans les klystrons ou dans les tubes à onde progressive alors que la cathode représentée aux figures lb et 2b est plus particulièrement utilisée dans les magnétrons. Ainsi, conformément à la présente invention pour éviter une émission électronique indésirable à partir de zones qui doivent être normalement non ernJsives, les faces latérales 7 de la matrice poreuse sont recouvertes d'une couche compacte 6 d'un matériau réfractaire. Le matériau réfractaire utilisé peut être un matériau identique à celui de la matrice poreuse, du tungstène pyrolytique par exemple. Toutefois, le matériau réfractaire utilisé peut aussi être un matériau différent de celui de la matrice poreuse mais compa tible avec les conditions de fabrication et de fonctionnement de la cathode pour éviter la détérioration par diffusion de la surface émissive.Ce matériau peut être par exemple du molybdène -De plus, pour améliorer la diminution d'émission électronique des zones non émissives la couche compacte 6 de matériau réfractaire peut être recouverte d'une couche 8 en un matériau non émissif compatible avec les conditions de fonctionnement de la cathode tel que le zirconium2 l'hafnium2 le palladium ou similaire Selon un mode de réalisation préférentiel, la couche compacte 6 peut être obtenue par décornposition chimique en phase vapeur Lorsque la matrice est réalisée en tungstène poreux, la couche peut être obtenue par décomposition d'hexafluorure WF6 ou dFhéxa- chlorure WCl6 de tungstène en présence d'hydrogène à une tempe- rature comprise entre 400 et 1100 Oc, suivant la texture désirée pour le dépôt.Le tungstène ainsi déposé présente une orientation cristallographique préférentielle suivant les plans (100) ou (110) en fonction du mode de dépôt. Ces plans présentent un travail de sortie électronique d'environ 4 7 à 5eV. Ces valeurs sont plus élevées que celle correspondant au tungstène de la surface émissive dont les grains n'ont pas d'orientations particulières bien préåses. La couche compacte 6 peut aussi être obtenue par frittage de poudre métallique ou par dépot à l'aide d'un pistolet à plasma. Toutefois, dans ces deux derniers cas, la couche déposée présente une porosité résiduelle qu'il est nécessaire d'éliminer par usinage. De plus, quelle que soit la méthode utilisée pour le dépot de la couche compacte, celui-ci peut être réalisé soit sur un barreau ensuite usiné pour réaliser la pastille formant la matrice poreuse soit sur une pastille déjà usinée dont on cache les surfaces qui Coivent être mainteriues sans dépit. Dans tous les cas la rugosité de la couche compacte déposée peut être éliminée par usinage. D'autre part, le dépot de la couche 8 en un matériau non émissif peut être réalisé par pulvérisation, évaporation sous vide ou tout simplement par peinture suivie d'un traitement thermique ne laissant que le matériau non émissif On décrira maintenant avec référence aux figures 3 et 4 un mode de réalisation d!une cathode utilisée dans des carcinotrons de type O, fonctionnant en bande mîllimètrique Comme représenté sur la figure 3, les cathodes actuellement utilisées sur ce type de tube sont constituées par une matrice 10 en tungstène ou en tungstène allié à un élément tel que l'osmium ou l'irridium fixée par simple emmanchement dans une pièce support 20 en un matériau réfractaire tel que le molybdène munie d'une cavité 21D Conformément à la présente invention, la cathode pour carcinotrons de type O peut être réalisée en fixant la matrice 10 en tungstène sur un support 20 et en plaçant des caches 30 sur les parties qui ne doivent pas être recouvertes comme représenté à la figure 4a. On effectue ensuite un dépot de matériau réfractaire 40 de manière à obtenir la pièce de la figure 4b. Puis on réalise un usinage de finition donnant la pièce de la figure 4c. De cette manière, le volume du corps poreux est plus important et accepte plus de matière émissive que dans l'art antérieur. De plus la fixation mécanique et le transfert thermique sont également améliorés. REVENDICATIONS 1. Une cathode thermoélectronique comportant une matrice poreuse (I, 10) imprégnée d'un produit émissif et fixée sur un support (2, 20) caractérisé en ce que les surfaces non émissives de la matrice poreuse sont recouvertes d'une couche compacte (6 40) d'un matériau réfractaire. 2. Une cathode selon la revendication 1 caractérisée en ce que le matériau réfractaire est constitué par un matériau identique à celui de la matrice poreuse tel que le tungstène pyrolytique. 3. Une cathode selon la revendication 1 caractérisée en ce que le matériau réfractaire est constitué par un matériau différent de celui de la matrice poreuse tel que le molybdène. 4. Une cathode selon d'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que la couche compacte (6) est recouverte d'une couche (8) en un matériau non émissif. 5. Une cathode selon la revendication 4 caractérisée en ce que le matériau non émissif est choisi parmi le zirconium, l'hafnium, le palladium. 6. Un procédé de réalisation d'une cathode selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il consiste à recouvrir les surfaces non émissives de la matrice poreuse d'une couche compacte d'un matériau réfractaire. 7. Un procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que la couche compacte est obtenue par décomposition chimique en phase vapeur. 8. Un procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que, dans le cas d'une couche compacte en tungstène pyrolytique, la couche est réalisée par décomposition chimique en phase vapeur d'hexafJuomre ou d'hexachlorure de tungstène en présence d'hydrogène à une température comprise entre 4000C et 11000C. 9. Un procédé seion la revendicaton 6 caractérisé en ce que la couche compacte est obtenue par frittage de poudre. 10. Un procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que la couche compacte est obtenue par dépot à l'aide d'un pistolet plasma. 11. Un procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 10 caractérisé en ce que l'on dépose sur la couche compacte par pulvérisation, évaporation sous vide ou par peinture suivie d'un traitement thermique adéquat une couche d'un matériau non émissif.