Brevet FR2627897A1 — publié le 19890901

CATHODE A CHAUFFAGE DIRECT EN MATERIAU THERMOEMISSIF La présente invention concerne une cathode à chauf- fage direct pour tubes électroniques de forte puissance ou pour filaments de microscopes électroniques. Les cathodes à chauffage direct utilisées dans ce genre de tubes sont généralement constituées par un manchon cylindrique, formé de fils de tungstène thorlé. Ces fils sont bobinés en hélice et répartis en deux nappes inclinées en sens opposé par rapport à une génératrice du cylindre, de manière à former un treillis. Les fils des deux nappes sont réunis à cha- que croisement par un point de soudure. La structure obtenue est ensuite carburée par chauf- fage en phase vapeur de naphtalène ou d'acétylène par exemple. Les fils sont portés à la température de fonctionne- ment, de l'ordre de 1700 C, par circulation de courant électri- que. Le chauffage des fils de tungstène à cette température entraine l'émission des électrons. Les allumnages et les extinctions répétés sur de telles structures conduisent fréquemment à des déformations permanen- tes, qui altèrent les caractéristiques du tube électronique. Ces déformations sont dues à la dilatation importante du tungstène à la chaleur. Il existe aussi des cathodes à chauffage direct en graphite pyrolytique. Ce matériau est connu pour ses qualités mécaniques et thermiques. Ces cathodes sont obtenues à partir d'une ébauche cylindrique, creuse, en graphite, réalisée par pyrolyse. Cette ébauche est ensuite usinée afin d'obtenir une structure ajourée formant un maillage. Sur l'ébauche -en graphite pyrolytique on dépose une couche d'un matériau à pouvoir thermoémissif élevé. Ce matériau thermoémissif doit être compatible avec le graphite 262789? pyrolytique à la température de fonctionnement de la cathode. L'avantage de ces cathodes est qu'elles ne se déforment pratique- ment pas. En effet, le coefficient de dilatation thermique du graphite pyrolytique est bas. La dilatation de telles cathodes est trois fois plus faible que celle des cathodes en tungstène thorié. Par exemple, une cathode en tungstène, dont le diamètre est de 40 millimètres, se dilate de 180 micromètres lorsqu'elle est chauffée à sa température nominale de fonctionnement. Une cathode de même diamètre en graphite pyrolytique ne se dilate que de 60 micromètres. Dans les tubes électroniques de puis- sance, la grille de commande est généralement également en gra- phite pyrolytique. Cette grille, en forme de cylindre creux encer- cle la cathode. En fonctionnement, il n'y a plus de problèmes mécaniques, liés à la différence de comportement thermique des matériaux constituant la cathode et la grille de commande. Il est possible d'envisager une diminution non négligeable de l'es- pace cathode - grille de commande. Un matériau thermoémissif couramment employé est un borure de terres rares tel que l'hexaborure de lanthane (La B6). Son pouvoir thermoémissif est élevé; à 1500 C, l'émis- sion thermoélectronique de ce corps est de l'ordre de 2A/cm2. Sa réaction vis à vis du graphite est.faible. Son coefficient de dilatation est plus faible que celui du tungstène. En revanche, son évaporation est très importante dès qu'il est chauffé. Cela limite la durée de vie de telles cathodes a environ 1000 heures et contribue à leur destruction. L'invention vise à remédier à cet inconvénient en pro- posant une cathode à chauffage direct, ayant une émission ther- moélectronique élevée et dont la durée de vie est augmentée. La présente invention propose une cathode, à chauffage direct, pratiquement indéformable en matériau thermoémissif, caractérisé en ce que le matériau thermoémissif est revêtu d'une couche de matériau réfractaire afin de limiter la perte de matériau thermoémissif par évaporation. Le matériau réfractaire est choisi de manière à ce que sa vitesse d'évaporation soit faible. Il doit aussi avoir une grande résistance à l'oxydation et au bombardement ionique. Il est déposé en couche suffisamment mince pour ne pas perturber exagérément I'émission d'électrons. De préférence, la cathode sera constituée d'un support en graphite pyrolytique recouvert d'une couche de matériau thermoémlsslf lui-même recouvert d'une fine couche de matériau réfractaire. Grâce au faible coefficient de dilatation thermique du graphite pyrolytique, cette réalisation permet d'obtenir, une cathode indéformable. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront A la lecture de la description suivante. La cathode A chauffage direct, selon l'invention, est de préférence constituée par une ébauche cylindrique, creuse en graphite réalisée par pyrolyse. Cette ébauche est ensuite usinée afin d'obtenir une structure ajourée formant un maillage. Le chauffage se fait par circulation de courant dans les barreaux constituant chaque maille. L'ébauche est ensuite revêtue d'une couche d'un borure de terres rares, par exemple, de l'hexaborure de lan- thane (LaB6). Le dépôt est réalisé de préférence par un procédé de projection de poudre d'hexaborure de lanthane dans un plas- ma, composé, par exemple, d'argon et d'hydrogène en mêmes quantités. Cette opération a lieu A très haute température, soit A la pression atmosphérique, soit de préférence dans une atmo- sphère raréfiée. Le débit de poudre est de l'ordre d'un kilogramme par heure, la distance entre le plasma et la cathode étant comprise entre 30 centimètres et 1 mètre. Les caractéristiques du plasma sont les suivantes: pour un volume de gaz de l'ordre d'une dizaine de centimètres cube, le courant est de l'ordre de 400 ampères et la tension de l'ordre de 40 volts. L'épaisseur de la couche d'hexaborure de lanthane sera, de préférence, comprise entre 10 et 100 micromètres. L'hexaborure de lanthane est choisi à cause de son émission thermoélectronique élevée. Mais l'évaporation de l'hexaborure de lanthane est importante quand on le chauffe. Afin de limiter la perte de matière par évaporation, on recouvre l'hexaborure de lanthane, d'un film de matériau réfractaire. Le matériau réfractaire est déposé de façon à former une couche compacte et homogène. Ce dépôt est réalisé, de préfé- rence par un procédé de projection de poudre de matériau réfrac- taire dans un plasma, analogue à celui utilisé pour le dépôt d'hexaborure de lanthane. L'épaisseur de la couche de matérieau réfractaire sera de préférence comprise entre 10 et 100 micromè- tres. Les matériaux utilisés pour ce dépôt sont choisis ré- fractaires et ont une faible vitesse d'évaporation, une grande résistance à l'oxydation et au bombardement ionique. Ils n'altè- rent pas les propriétés thermoémlssives de l'hexaborure de lan- thane. Ils sont également choisis de manière à être obtenus, à l'état fondu, sans altération de leurs propriétés physico-chimiques intrinsèques, par exemple, la stoechiométrie. Avec cette couche réfractaire, la dissipation thermique de la cathode est diminuée, ce qui signifie que le rapport émission électronique sur puissance de chauffage est sensiblement augmen- té par rapport aux cathodes à l'hexaborure de lanthane de l'art antérieur. Grâce au faible coefficient de dilatation du graphite pyrolytique, la cathode ainsi réalisée est pratiquement Indéforma- ble. Les matériaux réfractaires pouvant convenir à ce type d'application sont nombreux. Dans un premier mode de réalisa- tion, le matériau réfractaire est choisi parmi les borures d'un métal de transition. Ces métaux sont dans les colonnes IVA, VA, VIA, VIIA de la classification périodique des éléments telles que présentée dans l'ouvrage "Inorganic chemistry" de RB HESLOP et K. JONES édité par ELSEVIER SCIENTIFIC PUBLISHING COMP. Par exemple, on peut utiliser l'un de ces corps - le borure de titane TiB2 TI2 - le borure de zirconium ZrB2 - le borure d'hafnium HfB2 - le borure de niobium NbB2 - les borures de vanadium VB2 ou V3B2 - le borure de molybdène MoB2 Mo2 - le borure de rhénium ReB3 Dans un second mode de réalisation, le matériau réfrac- taire est un composé de bore et d'un métal de la mine du platine: Par exemple, on peut utiliser l'un de-ces corps: - les borures de ruthénium RuB ou Ru2B3 - les borures de rhodium Rh7B3ou RhB Dans un troisième mode de réalisation, le matériau réfractaire est un composé de silicium et de certains métaux, tels que: - les siliciures de molybdène MoSi2 ou Mo5Si 2 5 3 - les siliciures de niobium NbSi ou Nb5Si3 - les siliciures de vanadium V3Si 5Si3 o VSi2 vs2 - le siliclure de tungstène WSi2 - les silicilures de rhénium ReSi2 ou Re5Si3 - les siliciures de rhodium Rh2Si ou RhSi - le siliclure de zirconium Zr5Si4 - les siliciures d'iridium Ir3Si ou IrSi les siliclures de ruthénium Ru2Si3ou RuSi Dans un quatrième mode de réalisation, le matériau réfractaire est un composé de carbone et de certains métaux, tels que - le carbure de béryllum Be2C - le carbure de titane TIC - le carbure de vanadium V2C - le carbure de zirconium ZrC On pourrait envisager que la cathode soit constituée directement à partir du matériau émissif (hexaborure de lanthane par exemple) recouvert de la couche réfractaire, sans support de graphite. On peut envisager aussi que le support soit autre qu'un graphite. La présente invention n'est pas limitée aux exemples donnés pour la composition du matériau thermoémissif et du maté- riau réfractaire. REVENDICATIONS 1. Cathode à émission thermoélectronlque à chauffage direct, en matériau thermoémissif, caractérisée en ce que le matériau thermoémissif est recouvert d'une couche de matériau réfractaire afin de limiter la perte de matériau thermoémissif par évaporation. 2. Cathode à émission thermoélectronique à chauffage direct en matériau thermoémisslf selon Ia revendication 1, caracté- risée en ce qua- le matériau thermoémissif recouvre un support en graphite pyrolytique. 3. Cathode à émission thermoélectrique à chauffage direct en matériau thermoémissif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le matériau thermoémissif est un borure de terres rares. 4. Cathode à émission thermoélectronique, à chauffage direct en matériau thermoémissif selon la revendication 3, caracté- risée en ce que le matériau thermoémissif est de l'hexaborure de lanthane (LaB6). 5. Cathode à émission thermoélectronique, à chauffage direct en matériau thermoémissif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'épaisseur de la couche de maté- riau réfractaire est comprise entre 10 et 100 micromètres. 6. Cathode à émission thermoélectronique, à chauffage direct en matériau thermoémissif selon -l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le matériau réfractaire est un composé de bore et d'un métal de transition. 7. Cathode à émission thermoémissif selon la revendica- tion 6, caractérisée en ce que le matériau réfractaire est du type borure de titane (TiB2), ou borure de zirconium (ZrB2) ou borure d'hafnium (HfB2) ou borure de molybdène (MoB2) ou borure de niobium (NbB2) ou borure de vanadium (VB2 ou V3B2) ou borure de rhénium (ReB3). 8. Cathode à émission thermoélectronique à chauffage direct en matériau thermoémissif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le matériau réfractaire est un composé de bore et d'un métal de la mine du platine. 9. Cathode à émission thermoélectronique à chauffage direct en matériau thermoémissif selon la revendication 8, caracté- risée en ce que le matériau réfractaire est du type borure de ruthénium (RuB ou Ru2B3) ou borure de rhodium (RhB ou Rh7B3). 10. Cathode à émission thermoélectronique à chauffage direct en matériau thermoémisslf selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le matériau réfractaire est un composé de silicium et d'un métal. 11. Cathode à émission thermoélectrique à chauffage direct en matériau thermoémissif selon la revendication 10, carac- térisée en ce que le matériau réfractaire est du type siliciure de molybdène (MoSi2 ou Mo5Si3) ou siliclure de niobium (NbSi2 ou Nb5Si3) ou siliciure de vanadium (V3Si ou V5Si3 ou VSi2) ou siliciure de tungstène (WSi2) ou siliciure de rhénium (ReSi2 ou Re5Si3) ou siliciure de rhodium (Rh2Si ou Rhsi) ou siliciure de zirconium (Zr5Si4) ou siliciure d'iridium (Ir3Si2 ou IrSi) ou siliclure de ruthénium (Ru2Si3 ou RuSi). 12. Cathode à émission thermoélectronique à chauffage direct en matériau thermoémissif selon l'une des revendications i à 5, caractérisée en ce que le matériau réfractaire est un carbure de métal. 13. Cathode à émission thermoélectronique à chauffage direct en matériau thermoémisslf selon la revendication 12, carac- térisée en ce que le matériau réfractaire est du type carbure de béryllium (Be2C) ou carbure de titane (TIC) ou carbure de vanadium (V2C) ou carbure de zirconium (ZrC).