Brevet FR2621735A1 — publié le 19890414

t-f 2621735 CATHODE A OXYDES ROBUSTE POUR TUBE A RAYONS CATHODIQUES L'invention concerne les tubes à rayons cathodiques et plus précisément la constitution de la cathode de ces tubes. La cathode est l'élément du tube qui permet l'émission d'un faisceau d'électrons vers l'écran de visualisation du tube. Pour produire cette émission d'électrons, la cathode comporte, sur sa partie antérieure dirigée vers l'écran, une substance choisie en raison de sa capacité à émettre une grande densité d'électrons lorsqu'elle est portée à une température suffisante et qu'elle est soumise à un champ électrique élevé. La substance active est chauffée le plus souvent par un filament électriquement résistif (filament de tungstène bobiné) placé à l'intérieur d'un manchon dont une extrémité porte la substance active d'émission d'électrons. On ne s'intéresse ici qu'aux cathodes à chauffage par filament, bien qu'il existe aussi des cathodes dites à chauffage direct ne comportant pas de filament. Selon les applications envisagées (en particulier selon que l'on désire une plus ou moins grande densité d'émission électronique), on utilise couramment deux sortes de cathodes. La première sorte de cathode est appelée "cathode imprégnée"; elle est constituée de la manière suivante: l'élément actif d'émission d'électrons placé à l'extrémité antérieure de la cathode est une pastille de tungstène frittée poreuse, dont les pores sont remplis d'aluminate de baryum-calcium; c'est cette substance qui constitue le matériau émissif; l'émission se produit par suite de la réaction chimique entre le tungstène et l'aluminate, réaction qui produit du baryum libre; le potentiel d'extraction d'électrons du baryum vers le vide étant faible, l'émission d'électrons est possible. Mais cette réaction chimique ne se produit qu'à une température très élevée: environ 1100 C, 262 1 735 de sorte que le filament qui servira à produire cette température devra lui-même être porté à une température encore plus élevée. Ces cathodes imprégnées sont très intéressantes car elles permettent de fournir une très grande densité d'émission électronique sans que le viellissement soit accéléré par le fait de cette forte densité, mais elles sont très coûteuses en raison des contraintes technologiques imposées par la très haute température du filament et en raison de la difficulté de fabrication (usinage, imprégnation) des pastilles actives de tungstène imprégné. La deuxième sorte de cathode couramment utilisée est appelée "cathode à oxydes"; l'élément d'émission actif est une capsule de nickel actif (nickel additionné d'un faible pourcentage de tungstène et de traces de magnésium) revêtue, sur sa face antérieure tournée vers l'écran, d'une couche d'oxydes de baryum, calcium et strontium. Le filament de chauffage est contenu dans un tube de nickel fermé par la capsule de nickel actif. La température de la capsule de nickel doit atteindre environ 800 C pour que se produise les réactions nécessaires à l'émission électronique. Ces réactions sont d'une part une réaction d'oxydo-réduction des oxydes de baryum, calcium, strontium, par le nickel actif, et d'autre part une électrolyse de la couche d'oxydes pour libérer du baryum. L'avantage de ces cathodes est leur plus faible température de fonctionnement, d'o leur coût de fabrication réduit, mais leur inconvénient principal vis-à-vis des cathodes imprégnées est leur densité d'émission beaucoup plus faible si l'on souhaite que leur durée de vie soit suffisante. La présente invention s'intéresse aux cathodes à oxydes exclusivement, pour des applications dans lesquelles la densité d'émission électronique n'a pas besoin d'être très élevée et pour lesquelles par conséquent le coût élevé d'une cathode imprégnée ne se justifierait pas. La constitution classique d'une cathode à oxydes de la technique antérieure est représentée en coupe à la figure 1. 262 1735 Elle comporte un tube métallique 10 ou tube de cathode, contenant le filament de chauffage 12 (représenté non coupé). Le tube est ouvert à son extrémité postérieure (du côté opposé à l'émission d'électrons) pour laisser sortir les extrémités 14 et 16 du filament qui doit être connecté à une source de tension. L'extrémité antérieure du tube de cathode 10 est fermée par une capsule 18 de nickel actif (nickel additionné par exemple de 4% de tungstène et 0,05% de magnésium); cette capsule vient s'emboîter par dessus le tube et son diamètre intérieur est égal au diamètre extérieur du tube de sorte que le tube est fermé hermétiquement à son extrémité antérieure. La capsule est soudée électriquement par points tout autour de sa périphérie. Une couche 20 d'oxydes de baryum-calcium-strontium est déposée sur la surface frontale extérieure de la capsule 18 de nickel actif, c'est-àdire sur la portion de capsule qui ferme le tube, à l'extérieur du tube. Le tube de cathode 10 est monté sur un support isolant 22 en forme de disque qui sert au centrage du tube de cathode dans le tube à rayons cathodiques dont la cathode est l'élément émissif. La fixation du tube 10 se fait par l'intermédiaire d'un écran thermique 24, par exemple en alliage nickel-chrome, qui entoure concentriquement sans le toucher le tube 10 dans sa partie la plus chaude (c'est-à-dire la partie centrale et l'extrémité antérieure du tube 10) et qui est soudé au tube dans sa partie postérieure vers les extrémités du filament. L'écran thermique 24 est serti sur le support isolant 22. Sa fonction est d'éviter les déperditions de chaleur à partir du tube de cathode 10: il n'est pas en contact avec le tube de cathode sauf à une extrémité et le contact n'est d'ailleurs que ponctuel, l'écran thermique cylindrique étant pincé en forme de triangle à sa partie postérieure pour pouvoir être soudé en trois points à la partie postérieure du tube de cathode. Il y a donc peu de transmission de chaleur par conduction entre le tube de cathode 10 et les éléments de support. De plus, l'écran thermique est réfléchissant pour éviter les déperditions de chaleur par 262 1735 rayonnement. Enfin, on notera que la paroi du tube de cathode est très mince, là encore pour éviter les déperditions de chaleur par conduction thermique. Le filament chauffant 12 est un fil de tungstène ou d'alliage de tungstène, enroulé en double hélice comme on peut le voir sur la figure 1. Parfois, ce bobinage est fait non pas sur un simple fil de tungstène linéaire mais sur un fil déjà bobiné en hélice avec des spires de faible diamètre, ceci pour augmenter la longueur du fil. Le fil de tungstène n'est pas un fil nu, mais c'est un fil enrobé d'une fine couche d'alumine, non visible sur la figure 1, qui permet d'assurer l'isolement électrique des spires entre elles et leur isolement par rapport à la cathode. On a ainsi décrit une structure de cathode à oxydes de la technique antérieure. Le problème essentiel qui se pose est la robustesse du filament dans des conditions d'environnement sévère, et notamment en présence de vibrations. La gaine d'alumine qui enrobe le fil de tungstène doit être très pure et sans fissures pour éviter des claquages et des courants de fuite, surtout dans les cas o les extrémités du filament sont portées à un potentiel très différent de celui de la cathode (à ce sujet, les spécifications techniques exigent fréquemment que la cathode fonctionne sans défaut même si la différence de potentiel cathode-filament atteint 200 volts). En présence de vibrations, la gaine d'alumine se fissure, les risques de claquage et de fuites à l'intérieur du tube de cathode augmentent; de plus, l'usure de la gaine d'alumine produit des particules qui se propagent en dehors du tube de cathode et qui pénètrent dans l'enceinte du tube à rayons cathodiques lui-même; les très hautes tensions présentes dans cette enceinte (15 à 40 kilovolts) provoquent des claquages du tube à rayons cathodiques lorsque des particules étrangères se promènent dans les champs électriques très Intenses qui règnent entre anode et cathode. Même si le tube à rayons cathodiques ne 262 1735 claque pas, les particules viennent se déposer sur l'écran de visualisation porté à la très haute tension et y provoquent des points noirs qui détériorent la qualité de l'image. Pour renforcer la tenue mécanique du filament, on a déjà proposé d'introduire dans l'axe du filament bobiné une lame de renfort soudée au tube de cathode; cette lame est enrobée d'alumine pour rester électriquement isolée du filament, puis elle est introduite à l'intérieur de la bobine de fil de tungstène; l'introduction est délicate car il ne faut pas détériorer la fine gaine d'alumine de la lame de renfort; puis le filament monté sur la lame est recouvert d'alumine; puis la lame est soudée électriquement au tube de cathode à l'extrémité postérieure de celui-ci. La lame a de préférence une forme en U (épingle à cheveux); en fonctionnement, elle limite, par sa rigidité plus élevée que celle du filament bobiné, les mouvements de ce dernier, donc l'usure de la gaine du fil de tungstène. Ce type de cathode à filament renforcé présente les inconvénients suivants: - coût élevé (5 à 10 fois celui d'un filament ordinaire) par suite des opérations de montage rajoutées; - montage difficile dans la cathode car il faut souder la lame de renfort au tube de cathode sans abîmer la gaine d'alumine; - robustesse moyenne et non fiable; positionnement difficile et peu reproductible du filament par rapport à l'extrémité fermée du tube de cathode car on ne peut pas se permettre d'enfoncer complètement le filament jusqu'au fond du tube (ce qu'on pouvait faire avec un filament non renforcé); en effet, il faut tenir compte des dilatations ultérieures de la lame de renfort en fonctionnement. Au sujet de ce dernier point (positionnement difficile), il faut bien comprendre que non seulement la température de cathode est plus faible si le filament n'est pas complètement enfoncé, mals surtout, si le filament n'est pas toujours placé rigoureusement à la même position dans une fabrication en série, 26 2 1 7 3 5 il en résulte une dispersion sur la température de cathode atteinte en fonctionnement donc sur les caractéristiques d'émission. Ces dispersions ne sont pas acceptables. Pour éviter au mieux l'ensemble des inconvénients des cathodes à oxydes de la technique antérieure, la présente invention propose une nouvelle structure de cathode émissive pour tube à rayons cathodiques, la cathode étant du type comportant un tube de cathode mince fermé à une extrémité antérieure par une capsule cylindrique de nickel actif, la surface extérieure de la capsule étant revêtue, dans sa partie transversale à l'axe du tube, d'une couche à bases d'oxydes métalliques, et le tube de cathode enfermant un filament de chauffage en métal réfractaire, tel que du tungstène, revêtu d'un isolant réfractaire, tel que de l'alumine. Selon l'invention, le tube de cathode est en métal réfractaire, un bouchon de fermeture en métal réfractaire bon conducteur de la chaleur est placé à l'extrémité antérieure du tube, une partie du bouchon étant à l'intérieur du tube et une autre partie dépassant à l'extérieur, la capsule de nickel actif revêtue d'oxydes étant soudée à sa périphérie sur la paroi extérieure du tube, en regard du bouchon, et une substance isolante. réfractaire frittée remplissant les intervalles entre le filament et la paroi du tube et rendant le filament solidaire de la paroi intérieure du tube; la substance réfractaire frittée est de préférence la même que celle qui enrobe le filament, notamment de l'alumine. Le procédé de fabrication selon l'invention comporte les étapes suivantes: - préparation d'un tube de cathode en métal réfractaire; - mise en place d'un bouchon de métal réfractaire bon conducteur de la chaleur à l'extrémité qui deviendra extrémité antérieure du tube, et soudage de ce bouchon sur la paroi intérieure du tube en laissant dépasser une partie du bouchon au delà de l'extrémité antérieure du tube; 2 6 2 1 735 - enrobage d'un filament de chauffage par un isolant réfractaire; - puis mise en place du filament à l'intérieur du tube bouché; - introduction dans le tube d'une suspension de poudre d'isolant réfractaire, de préférence la même que celle qui enrobe le filament; - évaporation du solvant de la suspension; - frittage à haute température de la poudre réfractaire isolante pour assurer une cohésion mécanique entre le filament et la paroi intérieure du tube par l'intermédiaire de la poudre frittée; mise en place d'une capsule de nickel actif sur le bouchon de métal réfractaire, - et soudure de cette capsule sur la paroi du tube à l'extrémité antérieure de celui-ci, en regard du bouchon. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1, déjà décrite, représente la technique antérieure de réalisation des cathodes à oxydes; - la figure 2 représente un exemple de réalisation d'une cathode à oxyde selon l'invention. Sur la figure 2, on a désigné par les mêmes références les éléments qui correspondent à ceux de la figure 1, et plus précisément: le tube de cathode 10 (qui est maintenant en métal réfractaire, de préférence du molybdène, et non plus en nickel ou alliage de nickel); le filament de chauffage 12 qui est encore de préférence un fil de tungstène revêtu d'un enrobage mince d'Isolant réfractaire non visible sur les figures (de préférence de l'alumine); les extrémités 14 et 16 du filament, sortant de la partie postérieure du tube; la capsule 18 de nickel actif, placée à l'extrémité antérieure du tube 10 et portant sur sa face 262 1 735 frontale une couche d'oxydes métalliques 20 (de préférence une couche d'oxydes de baryum-calcium-strontium); le support isolant 22 en forme de disque pour le centrage du tube de cathode dans le tube à rayons cathodiques; et l'écran thermique 24 entourant concentriquement la partie la plus chaude du tube de cathode et pincée en triangle à sa partie postérieure pour être soudée ponctuellement au tube de cathode. L'écran thermique est serti sur le disque isolant 22. Sur la figure 2, on voit par exemple un point de soudure 26 entre l'écran thermique 24 et le tube 10; comme la paroi du tube 10 est de préférence très mince (moins d'un dixième de millimètre) pour éviter les déperditions de chaleur par conduction, on a prévu de préférence une rondelle 27 de renfort du tube, placée à l'intérieur de celui-ci à l'endroit de la zone de soudage 26. Le tube n'est en effet maintenu en place que par ces points de soudage et les risques de cassure de la paroi du tube aux alentours des points de soudage sont élevés. Selon l'invention, outre le fait que le tube 10 est maintenant en métal réfractaire, on a prévu un bouchon 28 en métal réfractaire bon conducteur de la chaleur à l'extrémité antérieure du tube, interposé entre cette extrémité et la capsule de nickel actif 18. Le matériau constitutif du bouchon est de préférence le même que celui du tube, c'est-à-dire de préférence du molybdène. Comme on le voit sur la figure 2, le bouchon 28 s'étend partiellement à l'intérieur du tube 10 et partiellement à l'extérieur; autrement dit, il est enfoncé dans le tube mais dépasse légèrement au delà; son diamètre extérieur est ajusté à celui de la paroi intérieure du tube de manière à fermer hermétiquement le tube à son extrémité antérieure, et il est fixé au tube par une opération de soudage électrique tout autour de la paroi extérieure du tube. La capsule de nickel actif 18, cylindrique, comporte une paroi transversale à l'axe du tube et une paroi latérale cylindrique entourant l'extrémité antérieure du tube de cathode 262 1 735 10. Cette paroi cylindrique est soudée électriquement à la paroi du tube, tout autour de celui-ci, le bouchon 28 servant d'appui lors de cette opération car on s'arrrange pour faire la soudure là o la paroi latérale de la capsule est en regard de la paroi latérale du bouchon. Lors de la mise en place et du soudage de la capsule, on s'arrange pour que la partie intérieure de sa face transversale soit étroitement appliquée contre la face correspondante du bouchon 28 (dont on rappelle qu'elle dépasse hors du tube 10). Enfin, le filament de chauffage, de préférence un fil de tungstène enrobé d'une fine gaine d'alumine, bobiné en hélice, est noyé dans une substance réfractaire frittée 30, électriquement isolante et bonne conductrice de la chaleur, de préférence aussi de l'alumine. Cette substance assure, après l'opération de frittage, une cohésion mécanique forte entre le filament et la paroi intérieure du tube. Le procédé de fabrication de cette cathode doit tenir compte du fait qu'une opération de frittage de matérieu réfractaire doit être effectuée et que cette opération de frittage, qui se déroule à très haute température, est incompatible avec la présence du nickel de la capsule 18. Les opérations de fabrication se déroulent donc de telle sorte que le frittage puisse avoir lieu avant mise en place de la capsule 18. On commence par réaliser un tube de cathode très mince en métal réfractaire, soit par étirage d'un tube plus épais, soit par roulage d'une feuille métallique mince et soudure électrique des bords superposés de la feuille roulée. Puis on ferme l'extrémité antérieure du tube par un bouchon de métal réfractaire dont le diamètre est ajusté à celui de la paroi intérieure du tube; on laisse le bouchon dépasser légèrement au delà de l'extrémité antérieure du tube, et on soude électriquement par points le tube et le bouchon, tout autour de l'extrémité antérieure du tube. 2 6 2 1735 Une r&delle de renfort (rondelle 27 sur la figure 2) est placée à l'extrémité postérieure du tube et soudée électriquement à celui-ci. On réalise pendant ce temps un filament de chauffage, qui est un fil de tungstène linéaire enroulé en hélice, ou un fil de tungstène déjà bobiné en spires de faible diamètre puis enroulé en hélice simple ou double (la figure 2 montre un fil linéaire enroulé en double hélice). On enrobe ce fil d'une gaine Isolante réfractaire (alumine) déposée par projection comme une peinture ou par électrophorèse (dépôt en présence d'un champ électrique élevé, dans un milieu diéléctrique liquide contenant des particules d'alumine traitées pour être chargées. Le filament recouvert d'alumine est placé à l'intérieur du tube de cathode bouché à son extrémité antérieure. On remplit la cavité ainsi formée par ce tube bouché, avec une suspension de poudre d'alumine très fine; la suspension est par exemple constituée par un mélange de poudre d'alumine et d'un solvant organique. On laisse évaporer le solvant, de préférence à l'air libre et à température ordinaire si la nature du solvant le permet. L'évaporation se fait de préférence pendant que le tube est soumis à un mouvement de rotation qui homogénéise la distribution de la poudre tout autour de la paroi intérieure du tube, entre le filament et cette paroi. De préférence, la rotation se fait autour d'un axe Incliné par rapport à l'horizontale, l'axe du tube étant maintenu parallèle à cet axe incliné. On effectue ensuite le frittage de l'alumine en portant l'ensemble du tube de cathode avec le filament et l'alumine à une température d'environ 1700 C. La poudre d'alumine s'agglomère et acquiert une forte cohésion; de plus elle s'unit fortement au filament de tungstène et à la paroi Intérieure du tube (de préférence en molybdène). Le filament est alors rendu solidaire du tube de cathode et résiste particulièrement bien aux vibrations. Son positionnement au fond du tube ne pose pas de 2 6 2 1735 problème particulier et la reproductibilité de positionnement est très bonne. La capsule de nickel actif est alors mise en place sur l'extrémité antérieure du tube. Le contact entre cette capsule et le bouchon de molybdène doit être très bon pour assurer la meilleure transmission possible de la chaleur du filament vers la capsule de nickel. La périhérie de la capsule est soudée électriquement tout autour du tube de cathode, en regard du bouchon de manière que la paroi latérale du bouchon serve d'appui évitant les déformations du tube (très mince) lors de la soudure. Le tube de cathode est introduit à l'intérieur d'un cylindre formant écran thermique (écran 24 sur la figure 2); l'écran de section cylindrique est pincé à sa partie postérieure pour venir en contact en trois points avec l'extrémité postérieure du tube au niveau de la rondelle de renfort 27, et une soudure électrique est effectuée à l'endroit de ces points pour rendre le tube solidaire de l'écran. Enfin, un disque isolant percé d'une ouverture centrale (disque 22 sur la figure 2) est enfilé autour de l'écran thermique 24 et l'écran est seti sur ce disque. La couche d'oxydes de baryum-strontium-calcium est déposée sur la capsule de nickel actif par projection soit avant mise en place de la capsule sur le tube, soit de préférence après; de préférence elle est mise en place après toutes les opérations décrites ci-dessus. 262 1 735 REVENDICATIONS 1. Structure de cathode émissive pour tube à rayons cathodiques, la cathode étant du type comportant un tube de cathode mince (10) fermé à une extrémité antérieure par une capsule cylindrique (18) de nickel actif, la surface extérieure de la capsule étant revêtue, dans sa partie transversale à l'axe du tube, d'une couche (20) à bases d'oxydes métalliques, et le tube de cathode enfermant un filament de chauffage (12) en métal réfractaire, tel que du tungstène, revêtu d'un isolant réfractaire, tel que de l'alumine, caractérisée en ce que le tube de cathode (10) est en métal réfractaire, un bouchon de fermeture (28) en métal réfractaire bon conducteur de la chaleur est placé à l'extrémité antérieure du tube, une partie du bouchon étant à l'intérieur du tube et une autre partie dépassant à l'extérieur, la capsule (18) de nickel actif revêtue d'oxydes étant soudée à sa périphérie sur la paroi extérieure du tube, en regard du bouchon, et une substance (30) réfractaire frittée, électriquement isolante et thermiquement conductrice remplissant les intervalles entre le filament (12) et la paroi intérieure du tube (10) et rendant le filament solidaire de la paroi intérieure du tube. - 2. Structure de cathode selon la revendication 1, caractérisée en ce que le métal réfractaire du tube et celui du bouchon sont constitués par du molybdène. 3. Structure de cathode selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la substance remplissant le tube est une poudre d'alumine frittée. 262 1735 4. Structure de cathode selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la partie postérieure du tube de cathode est renforcée par une rondelle (27) en vue de faciliter la soudure de la partie postérieure du tube sur un élément de support. 5. Procédé de fabrication d'une cathode émissive à oxydes métalliques, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - préparation d'un tube de cathode (10) en métal réfractaire; - mise en place d'un bouchon (28) de métal réfractaire bon conducteur de la chaleur à l'extrémité qui deviendra extrémité antérieure du tube, et soudage de ce bouchon sur la paroi intérieure du tube en laissant dépasser une partie du bouchon au delà de l'extrémité antérieure du tube; - enrobage d'un filament de chauffage (12) par un isolant réfractaire; - puis mise en place du filament (12) à l'intérieur du tube bouché (10);' - introduction dans le tube d'une suspension de poudre d'isolant électrique réfractaire bon conducteur de la chaleur, de préférence la même que celle qui enrobe le filament; évaporation du liquide de la suspension; - frittage à haute température de la poudre réfractaire Isolante pour assurer une cohésion mécanique entre le filament et la paroi intérieure du tube par l'intermédiaire de la poudre frittée; - mise en place d'une capsule de nickel actif (18) sur le bouchon de métal réfractaire, - et soudure de cette capsule sur la paroi du tube à l'extrémité antérieure de celui-ci, en regard du bouchon.