Brevet FR2597660A1 — publié le 19871023

La présente invention concerne de façon générale les cathodes thermoélectroniques, et elle porte plus particulièrement sur des cathodes "distributrices" du type à réservoir, qui trouvent une application particulièrement avantageuse dans des dispositifs tels que des tubes cathodiques exigeant une densité de courant très élevée, c'est-a-dire des densités de courant supérieures à 10 ampères par centimètre carré de surface de cathode. La cathode de l'invention s'applique également avantageusement lorsque les exigences de densité de cou2 rant sont inférieures à 10 A/cm2. L'art antérieur le plus pertinent connu de la demanderesse est le brevet US 4 165 473, qui décrit une cathode perfectionnée inventée par l'inventeur de la présente invention, et qui a été cédé à Varian Associates, Inc., Palo Alto, 15 Californie, E.U.A. Ce brevet décrit une cathode distributrice comprenant une matrice en métal poreux constituée par un mélange tassé de particules de tungstène et d'iridium imprégné d'aluminate de baryum à l'état fondu et d'autres oxydes de métaux alcalino-terreux qui peuvent être ajoutés à la matrice. La 20 structure de cathode décrite dans le brevet n0 4 165 473 est apparemment prévue essentiellement pour l'utilisation dans des tubes électroniques hyperfréquences conçus pour le fonctionnement en ondes entretenues, comme un amplificateur à klystron. La section du brevet précité qui est relative à l'art 25 antérieur décrit bien les tentatives faites précédemment pour réaliser des cathodes capables de produire des densités de courant élevées, et elle indique que, de façon générale, la limite de densité de courant de l'art antérieur résultant de telles tentatives était d'environ 3 ampères par centimètre carré de 30 surface de cathode. En outre, ce brevet décrit une structure qui est capable de produire au moins 10 ampères par centimètre carré de surface de cathode, procurant ainsi une augmentation de puissance considérable, en particulier à desfréquences très élevées, pour l'utilisation dans des dispositifs à micro-ondes. 35 La cathode distributrice du brevet précité était es- sentiellement prévue pour des tubes à micro-ondes spécialisés qui sont généralement très coûteux. Le coût élevé de la fabrication de telles cathodes n'a donc pas été considére à l'époque comme un inconvénient important. Des cathodes distributri5 ces ayant un coût de fabrication s'élevant jusqu'à dix à vingt dollars n'ont pas été considérées trop coûteuses pour leur utilisation dans des tubes à micro-ondes coûtant plusieurs milliers de dollars. Au contraire, on a toujours considéré que le coût était un facteur important pour des cathodes thermo10 électroniques prévues pour l'utilisation dans des tubes cathodiques tels que ceux utilisés dans des terminaux et des visuels d'ordinateur et dans certains moniteurs de télévision, du fait de la fabrication en grande quantité et de la nature concurentielle du produit final dans lequel ces cathodes sont 15 incorporées. Par conséquent, les cathodes utilisées dans l'art antérieur pour des applications telles que les tubes cathodiques, pour lesqueJeele coût est un facteur important, ont généralement été du type constitué par une combinaison d'un isolant et d'une cathode à oxyde semiconducteur, qui ne peut 20 pas procurer des densités de courant supérieures à environ 1 ampère par centimètre carré de surface de cathode, mais qui convenait néanmoins pour les applications à densité de courant relativement faible de tels dispositifs à tube cathodique de l'art antérieur. Malheureusement, des perfectionnements importants dans le domaine de l'informatique, liés de façon spécifique à des applications de visualisation, ainsi que d'autres progrès dans des applications des tubes cathodiques, ont créé un besoin portant sur une cathode prévue pour l'utilisation dans 30 des tubes cathodiques, qui soit capable de procurer des densités de courant élevées, de 10 ampères par centimètre carré ou plus, ce qui fait que la cathode distributrice est devenue une source de faisceau d'électrons hautement souhaitable pour des applications plus récentes de tubes cathodiques. Cependant, 35 les coûts de fabrication de telles cathodes distributrices sont toujours supérieurs d'un ordre de grandeur à ce qui serait acceptable dans l'industrie hautement concurentielle des tubes cathodiques, dans laquelle le coût est un facteur important. Il existe donc actuellement un besoin portant sur une cathode distributrice qui soit capable de fonctionner aux densités de courant supérieures précitées, mais qui puisse être fabriquée à un coût approximativement égal au dixième du coût de fabrication de cathodes distributrices à densité de courant élevée connues précédemment. Il existe donc en fait deux types 10 de dispositifs de l'art antérieur auxquels on puisse comparer l'invention. Il y a d'une part l'art antérieur relatif à la cathode distributrice coûteuse, qui ne convient pratiquement pas pour l'application à des tubes cathodiques, du fait de l'importance du facteur de coôût dans le produit final. Il y a 15 d'autre part les cathodes classiques qui ont été utilisées précédemment dans les tubes cathodiques à cause de leur coût relativement faible, mais qui sont incapables de procurer les densités de courant élevées que les applications les plus exigeantes imposent pour les tubes cathodiques actuels. L'art antérieur mentionné en second, c'est-à-dire les cathodes de l'art antérieur qu'on a utilisées de façon classique dans les tubes cathodiques, emploient un substrat de nickel avec des activateurs constitués par une impureté consistant en magnésium ou en silicium, et qui est revêtu d'oxyde 25 de baryum, d'oxyde de calcium ou d'oxyde de strontium, appliqués sous la forme de carbonates et qui se décomposent en oxydes pendant la fabrication. Malheureusement, l'émission électronique de telles cathodes classiques pour tubes cathodiques est beaucoup trop limitée pour les applications actuelles, 30 du fait que l'émission électronique est induite à partir d'une matière semiconductrice, et du fait que l'augmentation de la densité de courant de telles matières exige une tension extrêmement élevée. De telles tensions élevées appliquées pendant des durées plus longues que celles correspondant à une courte 35 impulsion peuvent provoquer l'amorçace d'un arc qui détruit la cathode, à cause de l'effet de charge de la matière. La densité de courant limite a donc été habituellement inférieure à 1 ampère par centimètre carré pour des cathodes utilisées dans des applications concernant des tubes cathodiques. Des tentatives antérieures visant à remplacer par une cathode en métal la cathode en semiconducteur utilisée dans le domaine des tubes cathodiques, comme la tentative qui est décrite dans le brevet des E.U.A. n 4 165 473, ont été limitées à des métaux capables de supporter une atmosphère d'hydrogène 10 utilisée pendant l'étape d'imprégnation, comme celle au cours de laquelle du tungstène est imprégné d'aluminate de baryum ou d'aluminate de baryum-calcium ou d'autres additifs consistant en métaux alcalino-terreux. L'invention consiste en une cathode distributrice originale et en un procédé de fabrication fournissant un produit fini qui consiste en une cathode capable de fonctionner avec les densités de courant de la cathode de l'art antérieur qui est décrite dans le brevet n 4 165 473, mais qui utilise une structure et un processus de fabrication originaux, permet20 tant une diminution de coût notable, réduisant celui-ci au dixième environ du coût de la fabrication de cathodes distributrices de l'art antérieur. L'invention consiste donc en une cathode dont le coût est compétitif par rapport aux cathodes de tme à semiconducteur qui sont utilisées dans le domaine des tu25 bes cathodiques, mais qui procure une amélioration de la densité de courant d'un ordre de grandeur, pour satisfaire les exigences les plus récentes en ce qui concerne les tubes cathodiques. La cathode de l'invention utilise une structure de cathode distributrice du type à réservoir qu'on peut fabriquer en quatre éléments séparés et assembler aisément avec un coût relativement faible. Elle permet d'employer des procédés de fabrication économiques utilisant un équipement automatisé qui a fait ses preuves depuis longtemps, comme des presses pour la 35 fabrication de pastilles et des presses à emboutir. En outre, la structure de l'invention permet d'atteindre plus aisément un niveau de performances uniforme pendant toute la durée de vie de la cathode. Ceci s'oppose à des cathodes distributrices de l'art antérieur qui présentent généralement une dégradation de performances importante au cours de la durée de vie de la cathode, à cause des changements du niveau d'évaporation du métal alcalino-terreux à travers les pores du métal émissif. Les quatre éléments séparés précités de l'invention comprennent une pastille de tungstène poreux, pressée et frit10 tée; une pastille pressée constituée par de l'aluminate de baryum-calcium et du tungstène; un réservoir embouti consistant en molybdène, en rhénium, en une combinaison de molybdène et de rhénium, en tantale ou en un autre métal réfractaire; et un cylindre de support se présentant sous la forme d'une 15 structure extrudée ou traitée de façon similaire, consistant en molybdène, en molybdène-rhénium ou en tantale. Le procédé de l'invention comprend les opérations suivantes: on presse et on fritte la pastille de tungstène en utilisant une poudre de tungstène de caractéristiques sélec20 tionnées, on emboutit le réservoir et on forme le cylindre de support, on presse une pastille d'aluminate de baryum-calcium et de tungstène, on assemble le réservoir et le cylindre de support, on introduit la pastille d'aluminate et de tungstène dans le réservoir, et on fixe ensuite la pastille de tungstène 25 poreux au sommet de l'assemblage formé par le réservoir et le cylindre, en procédant par soudage ou par brasage. La cathode résultante est conçue pour fonctionner à une température d'environ 850 à 1150 C, en fonction des objectifs de densité de courant. La pastille contenue dans le réservoir procure un ni30 veau faible constant d'évaporation de baryum pour activer le tungstène. Un point plus important consiste en ce que la cathode de l'invention procure la densité de courant élevée de cathodes distributrices avec une structure qui permet une fabrication simple et automatisée, ce qui réduit considérable35 ment le coût et rend l'invention compatible, en ce qui concer- ne le coût, avec des cathodes pour tubes cathodiques à densité de courant limitée de l'art antérieur. Un but principal de l'invention est donc de procurer une cathode distributrice perfectionnée ayant une structure et un procédé de fabrication associé qui conduisent à des coûts comparables à ceux de cathodes pour tubes cathodiques classiques, mais qui soit capable de procurer une densité de courant d'au moins 10 ampères par centimètre carré de surface émissive de cathode. Un but supplémentaire de l'invention est de procurer une cathode perfectionnée et un procédé de fabrication correspondant permettant de fabriquer une cathode distributrice du type à réservoir en quatre éléments séparés qu'on peut assembler aisément en utilisant un équipement automatise qui a fait 15 ses preuves depuis longtemps. Un autre but encore de l'invention est de procurer une cathode distributrice spécialement adaptée pour l'utilisation en tant que cathode de tube cathodique à densité de courant élevée, qui soit capable de produire au minimum 10 ampè20 res par centimètre carré de surface émissive de cathode, en utilisant une matière émissive métallique, mais dont le coût soit comparable à celui de cathodes pour tubes cathodiques du type à semiconducteur de l'art antérieur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la 25 description détaillée qui va suivre d'un mode de réalisation préfére, et en se référant aux dessins annexes, sur lesquels: La figure 1 est une représentation synoptique du procédé de fabrication de l'invention; et La fiqure 2 est une coupe du dispositif de l'inven30 tion. En considérant simultanément les figures i et 2, on voit que l'invention consiste en une cathode distributrice perfectionnée 10 qui comporte un cylindre de support 12 et un réservoir 14. Le réservoir est pratiquement rempli par une pre35 mière pastille 16 qui consiste en un mélange de tungstène et d'aluminate de baryum-calcium. Une seconde pastille 18 de tungstène en poudre pressé et fritté est brasée ou soudée sur le cylindre de support 12 pour obturer effectivement le réservoir 14 et la pastille 16 contenue à l'intérieur. Le cylindre 5 de support 12 permet l'accès au réservoir fermé d'un élément chauffant classique tel que celui qui est décrit dans le brevet des E.U.A. nO 4 165 473. Le réservoir 14 est logé dans le cylindre de support 12 en étant supporté par la surface de paroi intérieure de ce cylindre. Le procédé de fabrication de l'invention comprend les opérations suivantes: 1. On presse et on fritte une pastille de tungstène poreux d'une densité de 70 à 80 %, en utilisant une poudre de 4 à 7 micromètres de diamètre. La poudre de tungstène peut facultativement contenir 20 à 50 % en poids d'iridium, d'osmium, de ruthénium ou de rhénium; 2. On forme un réservoir par emboutissage en utilisant l'une des matières suivantes: molybdène, rhé20 nium, molybdéne-rhénium, tantale, tungstène, tungstènerhénium ou un autre métal réfractaire; 3. On forme un cylindre de support en molybdène, rhénium, molybdène-rhénium, tungstène, tungstènerhénium ou tantale, par extrusion ou une opération 25 similaire; 4. On presse des pastilles d'aluminate de baryumcalcium et de tungstène dans lesquelles le tungstène constitue entre 20 et 50 % du mélange; 5. On assemble le réservoir et le cylindre de sup30 port; 6. On introduit dans le réservoir la pastille d'aluminate de baryum-calcium et de tungstène; et 7. On fixe hermétiquement la pastille de tungstène poreux à l'assemblage réservoir/cylindre, par souda35 ge ou brasage. 2597660 - Dans un mode de réalisation préféré du procédé de fabrication, l'opération n 1 comprend tout d'abord l'application au tungstène d'une pression uni -axiale comprise entre 7 et 14 kPa pour obtenir une densité comprise entre 50 et 55%, et on fritte ensuite le tungstène pressé à une température comprise entre 2000 et 2500 C, pendant une durée comprise entre 30 et 60 minutes, pour obtenir la densité de 70 à 80 %. En outre, le processus de formation de réservoir de l'opération n 2 a été effectué en utilisant une simple presse d'emboutis10 sage. Il faut également noter que bien que l'opération d'obturation n 7 du procédé puisse utiliser le soudage ou le brasage, dans le mode de réalisation préféré du procédé décrit ici, le soudage apparalt être une forme d'obturation préférée au brasage. La cathode distributrice résultante qui est fabriquée par le procédé décrit ci-dessus et qui présente la configuration représentée sur la figure 2, est particulièrement avantageuse, comparée à la cathode distributrice du brevet des E.U.A. n 4 165 473, pour plusieurs raisons. La raison qui est 20 peut-être la plus importante réside dans la simplicité du procédé de fabrication, qui réduit considérablement le coût de fabrication, comme décrit précédemment. En outre, la pastille de tungstène poreux qui est fabriquée à l'opération n 1 ne comporte pas de pores bouchés, c'est-à-dire qu'elle a des po25 res ouverts qui ne sont pas bouchés par une matière parasite, ce qui rend la partie métallique de la cathode plus efficace en ce qui concerne sa réaction à l'activation par l'évaporation de baryum provenant de la matière émissive contenue dans le réservoir. En fait, la seule chose qui traverse les pores 30 du tungstène poreux dans la pastille supérieure est le baryum ou l'oxyde de baryum qui est émis à un niveau faible constant par évaporation de baryum, ce qui assure un niveau de performances pratiquement constant pendant toute la durée de vie de la cathode. On comprend maintenant que le dispositif décrit ci- dessus consiste en une cathode distributrice perfectionnée de type original, capable de produire des densités de courant élevées égales ou supérieures à 10 ampères par centimètre carré de surface émissive de cathode. On a décrit une configura5 tion originale et un procédé de fabrication original qui conduisent à une diminution notable du coût de fabrication, en comparaison avec des cathodes distributrices de l'art antérieur. La présente invention consiste en une cathode dis10 tributrice entièrement métallique qui améliore d'un facteur d'environ 10 la densité de courant des cathodes de l'art antérieur qui sont normalement utilisées dans des tubes cathodiques, tout en procurant simultanément une cathode dont le coût est comparable à celui des cathodes à semiconducteur de l'art 15 antérieur qu'on utilise normalement dans des tubes cathodiques. La diminution importante du coût de fabrication est obtenue par l'utilisation d'un assemblage de quatre éléments qu'on peut fabriquer aisément au moyen d'un équipement automatisé, ce qui procure les avantages de performances de cathodes dis20 tributrices de l'art antérieur, mais également les avantages de coût de cathodes à semiconducteur de l'art antérieur, à plus faible densité de courant, qu'on utilise normalement dans des tubes cathodiques. Diverses modifications susceptibles d'être apportées 25 à l'invention apparaTtront à l'homme de l'art à la lecture de la description qui précède. A titre d'exemple, on peut apporter diverses modifications à la structure spécifique définie ici, ainsi qu'aux opérations spécifiques du procédé défini ici, parmi lesquelles l'utilisation d'autres éléments constitutifs dans la pastille de tungstène poreux, ainsi que dans la pastille de tungstène émissive sous-jacente, avec laquelle l'aluminate de baryumcalcium est combiné dans le réservoir de la cathode de l'invention. On comprend cependant que tous ces modifications et ajouts entrent dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Cathode distributrice (10), caractérisée en ce qu'elle comprend: un réservoir (14) formé par un métal réfractaire; une première pastille (16) contenue dans le ré5 servoir (14) et consistant en aluminate de baryumcalcium et en tungstène; une seconde pastille (18) recouvrant et obturant le réservoir (14) et constituée par du tungstène poreux pressé et fritté; et des moyens destinés à appliquer de la chaleur au réservoir (14) et aux pastilles (16, 18) pour 10 qu'elles émettent un courant. 2. Cathode selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un cylindre de support (12) ayant une surface de paroi intérieure qui est destinée à recevoir et à supporter le réservoir (14). 3. Cathode selon la revendication 1, caractérisée en ce que le réservoir (14) est formé par un métal du groupe comprenant le molybdène, le rhénium, le molybdène et le rhénium en combinaison, le tungstène, le tungstène et le rhénium en combinaison, et le tantale. 4. Cathode selon la revendication 1, caractérisée en ce que la seconde pastille (18) contient également au moins un métal du groupe comprenant l'iridium, l'osmium, le ruthénium et le rhénium. 5. Cathode selon la revendication 2, caractérisé 25 en ce que le cylindre de support (12) est formé par un métal du groupe comprenant le molybdène, le molybdène et le rhénium en combinaison, le tungstène, le tungstène et le rhénium en combinaison, et le tantale. 6. Procédé de fabrication d'une cathode distribu30 trice, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: (a) on presse et on fritte une pastille de tungstène poreux (18) pour lui donner une densité d'au moins 70 %; (b) on forme un réservoir (14) en un métal réfractaire; (c) on forme un cylindre de support (12); (d) on presse une pastille 35 d'aluminate de baryum-calcium et de tungstène (16); (e) on assemble le réservoir (14) et le cylindre de support (12) (f) on introduit la pastille (16) de l'opération (d) dans le réservoir (14)-de l'opération (b) ; et (g) on obture le réservoir (14) avec la pastille (18) de l'opération (a), pour enfermer la pastille (16) de l'opération (d). 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'opération (a) comprend les opérations suivantes: (al) on applique une pression uni-axiale comprise entre 7 et 14 kPa à une poudre de tungstène formée par des particules 10 ayant un diamètre dans la plage de 4 à 7 micromètres; et (a2) on fritte la poudre de tungstène pressée, à une température de 2000 à 2500 C pendant au moins 30 minutes. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la poudre de tungstène comprend en outre un élément du groupe comprenant l'iridium, l'osmium, le ruthénium et le rhénium, dans une proportion dans la plage de 20 à 50 % en poids. 9. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on accomplit l'opération de formation du réservoir (14) 20 au moyen d'une presse à emboutir. 10. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on accomplit l'opération d'obturation par une pastille en soudant la pastille (18) de l'opération (a) sur le réservoir (14) de l'opération (b). 11. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que dans l'opération (d), le tungstène constitue environ à 50 % du mélange.