Brevet FR2634054A1 — publié le 19900112

CATHODE POUR EMISSION D'ELECTRONS ET TUBE ELECTRONIQUE COMPRENANT UNE TELLE CATHODE L'invention a pour objet une cathode émissive d'électrons à laquelle est associée au moins une grille de modulation ou de commande pour l'équipement d'un tube élec- tronique d'un type quelconque, notamment dans le domaine des fréquences élevées. L'invention concerne aussi tout tube électronique comprenant une telle cathode. Dans les tubes électroniques du genre des tubes à ondes progressives ou plus généralement dans les dispositifs à faisceaux linéaires, les faisceaux d'électrons sont émis par une cathode et sont contrôlés par au moins une électrode et le plus souvent, par un ensemble d'électrodes particuliè- rement conçues pour produire et guider sur des trajectoires déterminées cet ensemble d'électrons. Il est nécessaire dans tous les cas de réaliser des électrodes dont la configuration est telle que les lignes équipotentielles qui en résultent au voisinage de la cathode soient aussi parallèles que possible à la surface de celle-ci, aussi bien en régime de blocage qu'en régime de fonctionnement. C'est ce qui a conduit, avec des cathodes de diamètre impor- tant en comparaison de la distance de la cathode au disposi- tif d'utilisation du faisceau d'électrons, à réaliser des électrodes de modulation comportant de multiples ouvertures de passage et prenant donc la forme de "grilles". Typiquement, une grille de modulation à multiples ouvertures de passage utilise une tension de modulation de quelques centaines de volts. L'énergie nécessaire à la modulation d'une telle électrode est proportionnelle à sa capacité par rapport à la cathode et à sa tension positive V2 par rapport à a catho- ek par rapport à La catho- de. On voit par là l'intérêt de l'utilisation d'électrodes à basse tension, surtout lorsque les fréquences de modulation sont élevées. Cependant, une grille de modulation placée en face d'une surface d'une cathode émettant des électrons, et positive par rapport à cette surface, reçoit une partie de l'émission électronique. Il se produit donc une "intercep- tion du faisceau" qui peut ne pas être gênante lorsque la densité moyenne du courant intercepté reste faible, ce qui est le cas pour des dispositifs à puissance moyenne ou faible, notamment avec une cathode à laquelle est associée une simple grille Mais avec les dispositifs à puissance élevée, il est nécessaire d'éliminer autant que possible l'interception d'électrons par la grille de commande. On a donc proposé de supprimer l'émission électro- nique de la cathode dans les zones qui sont situées en regard de la grille de modulation, par le dépôt à la surface de la cathode d'une couche de matière non émissive; un exemple de réalisation d'une telle solution est décrit dans le document US-A-4 459 323. Mais il est apparu à l'usage que cette couche devient elle-même émissive, après une durée relativement courte, même quand elle est séparée de la cathode par une couche isolante, par suite d'une migration de matière émissi- ve à partir de la cathode. Le but principal de l'invention est d'apporter une cathode dont la conception permet l'emploi d'une grille de protection sans contact avec la cathode, donc non suscepti- ble d'être contaminée par la matière émissive de cette catho- de, et dont la conception facilite en même temps la disposi- tion relative de cette grille de protection par rapport à la cathode. On sait, par ailleurs, que dans certaines circons- tances la grille de protection peut être supprimée; dans ce cas, c'est la position de La première grille de modulation qui doit être établie avec précision vis-à-vis de la cathode. Un but secondaire de l'invention est de parvenir L une cathode de conception telle qu'elle permet aussi la mise en place facile par rapport à cette cathode de la première grille de modulation quand la grille de protection n'existe - pas. Etant donné que La grille de protection, ainsi que la ou les grilles de modulation, sont des grilles non émissi- ves en comparaison de la cathode, on emploiera dans ce qui suit L'expression "grille non émissive" pour désigner aussi bien une grille de protection reliée électriquement au poten- tiel de la cathode ou une grille de modulation proche de la cathode en l'absence de grille de protection mais non reliée au potentiel de La cathode. Une cathode conforme à l'invention comprend un corps en matière non émissive d'électrons ayant une face non émissive et des éléments en matière émissive ayant une surface émissiveespacés Les uns des autres selon une configuration désirée déterminée et fixés audit corps avec leur surface émissive en relief par rapport à la face non émissive de ce corps. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention le corps en matière non émissive a une face non émissive substantiellement lisse, des évidements prévus dans ce corps s'ouvrent dans cette face et sont espacés les uns des autres selon une configuration déterminée; les éléments en matière émissive sont introduits et immobilisés respectivement dans Lesdits évidements, chaque élément étant immobilisé dans un évidement correspondant de telle façon oue sa surface d'émis- sion se trouve en relief par rapport à la face non émissive du corps. Avec une cathode réalisée conformément à l'inven- tion, il n'existe pas de difficulté spéciale à placer une électrode non émissive en regard du réseau de zones non émis- sives qui existe à la-surface du corps de la cathode, entre Les surfaces émissives en saillie des éléments en matière émissive. En pratique, Les éléments en matière émissive sont, avantageusement, pour une raison de coût, analogues à des pastilles de révolution et d'une forme plus ou moins concave sur leur face émissive orientée vers L'espace d'interaction. Par ailleurs, la surface de la partie de révolution de ces pastilles émissives peut avantageusement être traitée contre l'émission par un dépôt en phase vapeur de tungstène épais. Avec une telle cathode, on peut utiliser une grille non émissive ayant des ouvertures de forme sensiblement cir- culaire, dans Lesquelles prennent place Les faces émissives des pastilles rapportées dans le corps non émissif de la cathode. Lorsque cette première grille est une grille de pro- tection, la grille de modulation immédiatement suivante se place avec des ouvertures qui y sont prévues ayant Leurs axes géométriques confondus avec ceux des axes de la première grilLe. On donnera maintenant une description d'un exemple préféré de réalisation d'une cathode conforme à l'invention et de plusieurs variantes qui peuvent y être apportées. On se reportera aux dessins annexés dans lesquels: - la figure I est une vue générale en perspective d'une cathode selon l'invention sur laquelle certains évide- ments sont représentés sans éléments émissifs et certains autres évidements sont munis chacun d'un élément émissif, - la figure 2 est une vue partielle en coupe selon II-II de la figure 1, - les figures 3 à 6 sont des vues partielles en coupe analogues à la figure 2 montrant des variantes de réa- lisation conformes à L'invention. Dans L'exempte illustré par les figures 1 et 2, la cathode a un corps 1 analogue à un disque d'épaisseur réduite, en matière non émissive, par exemple en nitrure de bore ou d'aluminium, ou en carbure de silicium ou de tungs- tène ou en tungstène pur ou en molybdène, ayant une face principale 1A lisse ou au moins substantiellement lisse. A partir de cette face 1A sont réalisés par usinage ou autre- me, des évidements 2 qui sont en fait des trous borgnes ne traversant pas le corps 1. Ces évidements 2 sont espacés les uns des autres et répartis en concordance avec une configu- ration déterminée appropriée à l'emploi envisagé de la cathode, par exemple dans un canon à électrons. Chaque évidement 2 contient une pastille émissive 3. Cette dernière est par exemple en tungstène poreux imprégné d'un S05 mélange émissif tel qu'un aluminate de baryum-calcium; Elle est fixée au corps 1 par un brasage fait a l'aide d'un alliage de molybdène-ruthénium. Chaque pastille 3 a une épaisseur supérieure à la profondeur de l'évidement 2 qui la contient partiellement de sorte que cette pastille est en saillie, comme le montre bien la figure 2, par rapport à la face principale 1A du corps 1. Entre les parties saillantes 3S des pastilles émissives 3 voisi- nes les unes des autres, il existe un intervalle 4. Les interval- les 4 communiquent entre eux en composant un réseau. Dans l'exemple de la figure 1 les pastilles émis- sives 3 sont immobilisées dans les évidements 2 correspondants par une opération de brasage, connue en soi. Les figures 3 à 5 se rapportent à des variantes dans lesquelles le corps 1 de la cathode est plus épais et chaque évidement 2' est un trou qui traverse toute l'épaisseur du corps 1. Chaque trou 2 a deux parties successives, une partie 2'A à plus grand diamètre et une partie 2'B à plus petit dia- mètre, ce qui fait apparaître entre les deux, dans l'épaisseur du corps 1, un épaulement intérieur 5. Comme la partie 2'B à plus petit diamètre est celle qui débouche dans la face 1A du corps 1, chaque épaulement 5 est tourné à l'opposé de cette dernière. Chaque élément émissif 3' a aussi deux parties 3'A, 3'B à diamètres différents, en correspondance avec les diamè- tres des parties 3A, 3B des trous 3, avec, par conséquent, un épaulement extérieur 6 qui s'applique contre l'épaulement inté- rieur 5 après l'introduction des éléments 3' dans les évide- ments 2'. Cette variante de réalisation ne change rien à l'existence de la partie saillante 3S décrite plus haut. Sur chaque élément émissif 3' la longueur de sa partie 3'B à plus petit diamètre, à partir de son épaulement extérieur 6, est supérieure à la distance entre l'épaulement intérieur 5 et la face 1A de sorte que cette partie 3'B est en saillie par rapport à cette face 1A. Dans les variantes des figures 3 et 5, les éléments émissifs 3' sont immobilisés dans les évidements 2' qui les contiennent par un cordon de brasage 7. De préférence la partie 3'A à plus grand diamètre a une longueur à partir de l'épau- lement extérieur 6 telle que la face extrême 8 de cette partie, opposée à la face émissive saillante 9, est en retrait à l'intérieur de la partie 2'A correspondante de l'évidement 2', ce qui permet de réaliser le cordon de brasage 7 à l'intérieur de ce dernier et sur la face extrême 8. Dans la variante de la figure 4, les éléments émis- sifs 3' sont immobilisés dans les évidements 2 par des ressorts R, conformes par exemple en calottes sphériQues, d'un diamètre choisi pour qu'ils puissent être introduits, par poussée, dans la partie 2'A à plus grand diamètre, jusque contre la face extré- me 8, et pour qu'ils produisent un effet d'arc-boutement en sens inverse. La figure 1 montre aussi que la face émissive 9 des éléments émissifs 3 peut avoir un profil concave. On a représenté aussi sur les figures 2 à 5 comment une grille non émissive peut être associée à la cathode de l'invention. De préférence une telle grille a des ouvertures dont la configuration est semblable à cellte des évidements 2, 2'. Quand ces derniers sont des trous, les ouvertures de la grille sont réalisées à un diamètre faiblement supérieur à celui de la face émissive 9 de chaque élément émissif 3 (figu- re 2), par exemple égal au diamètre de la partie 2'A de plus grand diamètre de l'évidement 3' (figures 3 à 5). Quand il s'agit d'une grille de protection, dessi- née en faible épaisseur et désignée par la référence numéri- que 10 sur les figures 2 à 4, elle est placée dans les inter- valles 4 entre les parties saillantes 3S; il existe donc une relation facile à déterminer entre l'importance des parties saillantes 3S et l'épaisseur de la grille de protection; au minimum l'importance des parties saillantes 3S est égale à l'épaisseur de cette grille. Cette dernière est reliée élec- triquement, de manière connue, non représentée, au corps 1 de la cathode. On a représenté aussi sur les figures 3 et 4 une grille de modulation 11 montée dans "l'ombre" de la grille de protection. La figure 5 se rapporte au cas o il n'existe pas de grille de protection; la grille de modulation 11 est mon- tee en dehors de la zone des parties saillantes 3S. La figure 6 se rapporte à une variante de réalisa- tion qui montre que la disposition de la grille de protection ' peut avoir une épaisseur supérieure à l'importance des parties saillantes 3S des éléments émissifs. Mais dans ce cas, chaque ouverture de la grille de protection 10' qui correspond à un élément émissif 3' est évasée, en s'élargissant, en 10'B, à partir du plan dans lequel se trouve substantiellement la face emissive saillante 9 de cet élément émissif 3'. Avant cette zone évasée 10B', à partir de la face de la grille de protection 10' regardant le corps 1, l'ouverture a une zone cylindrique A'. Dans ce cas, c'est en considérant la longueur en sens axial de cette zone cylindrique 10A' que se détermine la rela- tion avec l'importance de chaque partie saillante 3S. Dans cette variante, les ouvertures de la grille de modulation 11 sont établies en rapport avec la plus grande dimension des zones évasées 0lB'. Les moyens de maintien en place des grilles non émissives sont connus et classiques et n'ont pas été représen- tés. Bien entendu, les éléments émissifs 3, 3' sont reliés entre eux électriquement, par exemple par leurs faces extrêmes arrière 8, pour l'égalisation de leur potentiel. En général, le corps 1 de la cathode est en matière non émissive mais conductrice de l'électricité. L'invention n'exclut pas l'emploi d'un corps en matière non conductrice. Dans ce cas, les éléments émissifs 3,3' sont reliés électri- quement, également par leurs faces arrières 8, par exemple. - Dans un canon à électrons ou dans un autre appareil o elle est employée, la cathode de l'invention est associée, ainsi qu'il est connu, à un dispositif de chauffage a la température requise des éléments émissifs 3,3'. REVENDICATIONS 1. Cathode pour émission d'électrons caractérisée en ce qu'elle comprend un corps (1) en matière non émissive d'électrons ayant une face non émissive (1A), des éléments en matière émissive (3,3') ayant chacun une surface émissive (9), espacés les uns des autres seLon une configuration désirée déterminée et fixés audit corps (1) avec leur surface émissive (9) en relief d'une valeur déterminée (3S) par rapport à Ladite face non émissive (1A) du corps (1). 2. Cathode selon la revendication 1 caractérisée en ce que le corps (1) a des évidements (2,2') s'ouvrant dans la face non émissive (1A) espacés Les uns des autres selon ladite configuration désirée et Les éléments (3, 3') sont introduits et immobilisés respectivement dans lesdits évidements (2,2'), chaque élément émissif (3,3') étant immobilisé dans un évidement correspondant de teLle façon que sa surface émissive (9) se trouve en relief par rapport à la face non émissive (1A) du corps (1) de ladite valeur déterminée (3S). 3. Cathode selon La revendication 2 caractérisée en ceque Les évidements (2) sont des trous borgnes. 4. Cathode selon La revendication 2 caractérisée en ce que les évidements (2') sont des trous traversant le corps (1) et comprenant une partie (2'A) de plus grande dimension transversale et une partie (2'B) de plus petite dimension transversale s'ouvrant dans la face non émissive.(1A), ces deux parties faisant apparaÂtre un épaulement intérieur (5) cepen- dant que les éléments émissifs (3') ont aussi deux parties (3'A, 3'B) à dimensions transversales différentes faisant ap- paraître un épaulement.extérieur (6>, ces deux épaulements (5, 6) étant appliqués L'un contre l'autre. 5. Cathode selon La revendication 4 caractérisée en ce que chaque élément émissif (3') est terminé à L'opposé de sa surface émissive (9) par une face extrême (8) qui est en retrait à l'intérieur de la partie (2'A) correspondante de l'évidement (2'). 6. Cathode selon la revendication 5 caractérisée en ce que chaque élément emissif (3') est immobilise dans L'evidement (2') corresoondant par un cordor de brasage (7) a L'interieur de ladite partie (2'A) et sur la face extrême (8) en retrait. 7. Cathode seLon la revendication 5 caractérisée en ce que chaque élément émissif (3') est immobilise dans l'evi- dement (2') correspondant par un ressort (R) en calotte sDnerique appuyé a l'interieur de ladite partie (2'A) contre ta face extrême (8) en retrait. 8. Cathode selon l'une quelconque des revendica- tions 1 a 7 raracterisee en ce que le corps (1) est en tung- stène. 9. Cathode selon l'une quelconque des revendications 1 a 5 et 7, caractérisee en ce que le corps (1) est en une matière choisie entre un nitrure d'aluminium, un nitrure de bore. un carbure de silicium, un carbure de tungstène. 10. Cathode seLon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que l'importance des parties sail- lantes (3S) en remet Mes eeéments éeissifs (3,3') car ra-port au corps (1) est au moins égaLe à l'épaisseur d'une grille de protection. 11. Cat-oce se-or l'une des revero1cat1ons I a 9, carazterisee en ce ze L'imnzortance oes partes savLantes 35, er reL-ef'zes éeleents ém4ssifs (3, 3') oar raczort au corps (1) est au moins eégaLe a une f-raction- e 'ezaisseur -'une grilLe de Drotect'on (10) en correspondance avec des ouvertures (10A') de cette grille entourant leso'tes parties sai llantes (3S), ces ouvertures (10A') ayant ensuite dans l'épaisseur de la grille de protection (10) une zone évasée en s'élargissant (10B'). 12. Tube électronique caractérisé en ce qu'il est munri d'une cathode conforme à l'une quelconque des revendi- cations 1 à 11.