Brevet FR2635913A1 — publié le 19900302

La présente invention concerne une diode à émission. L'accélération de projectiles par des forces électromagnétiques fait souvent appel à des circuits électriques dans lesquels il est nécessaire d'établir un contact de résistance quasi-nulle destiné à permettre le passage de courants d'intensité supérieure à 100 kA. En outre, le contact doit se produire lorsque la diffé- rence de potentiel entre les deux électrodes considé- rées est très faible: quelques centaines de volts. Un circuit type destiné à l'accélération électromagnétique par rails et décharge de condensateurs est donné par la figure 1 annexée. Un banc de condensateurs 1 est chargé initia- lement à une tension VO(exemple: V0 = 10 kV), par un dispositif de charge (8, 7). Après la charge, à l'ins- tant t = 0 on ferme l'interrupteur 5 (6 est ouvert). Le courant I circule alors dans la self inductance 2, dans les rails 3a, 3b et dans le conducteur glissant 4a situé à l'arrière du projectile 4. Son intensité augmente, atteint un maximum Im puis diminue, en réfé- rence à la figure 2: il s'agit d'une décharge oscillante amortie classique 10. Une telle variation du courant en fonction du temps n'est toutefois pas souhaitée. En effet, comme la force F agissant sur le projectile 4 s'exprime par la relation F = 1/2 L'r I (o L' r r représente la self inductance par unité de longueur du rail), il se produira des variations d'accélération extrêmement préjudiciables pouvant détériorer le projec- tile 4. En outre, la vitesse atteinte à la sortie du rail ne sera pas maximale. Les meilleures conditions de fonctionnement seraient obtenues si l'intensité du courant pouvait garder sa valeur Im pendant toute la durée de l'accéléçation, malheureusement ceci n'est pas possible. Une solution permettant de s'approcher de cette condition idéale consiste alors à fermer l'inter- rupteur 6 à l'instant tl. Il en résulte que toute l'énergie électrique concentrée initialement dans le condensateur 1 de capacité C (W = 1 CV 2) se trouve à l'instant t1 dans la self 2 (W = 2 L I). L'énergie dans le condensateur 1 est alors nulle car la ddp à ses bornes est nulle, en référence à la figure 2b. Le courant aura alors la variation temporelle donnée par la courbe 11 de la figure 2a. Par ailleurs, la fermeture du commutateur 6 à l'instant tl permet de garder la ddp aux bornes du condensateur 1 proche de zéro, ce qui se traduit par le grand intérêt de pouvoir utiliser des condensateurs moins volumineux et moins chers car non soumis à une tension inverse. Les qualités requises du commutateur 6 se déduisent de ce qui vient d'être décrit: - ouverture (résistance infinie) pendant la montée du courant, fonctionnement en fermeture au bon moment, idéalement à l'instant t1 (ce fonctionnement peut être commandé, mais il est préférable qu'il soit automatique); - comme tout commutateur envisageable ne peut pas fonctionner lorsque la ddp entre ses électrodes est égale à zéro, il faut autoriser une tension inverse très faible (inférieure à la tension inverse supportée par le condensateur, soit environ 0,1 V o); sa fiabilité doit être maximale; - sa robustesse doit lui permettre d'être parcouru par des centaines de kA, voire quelques MA; - il doit supporter un grand nombre de décharges sans être changé. On connaît déjà des commutateurs disponibles dans le commerce tels que les ignitions qui fonction- nent par décharge gazeuse commandée ou les diodes semi-conductrices. En général, ces commutateurs sont soit fragi- les, soit limités par le courant admissible, auquel cas il faut en brancher plusieurs en parallèles; soit limités par la tension applicable à leurs bornes, auquel cas il faut en brancher plusieurs en série. De tels branchements sont toujours délicats et augmentent la fragilité de l'ensemble. On connaît aussi des diodes à émission de champ ou diodes à émission froide. Le principe de l'émission de champ est connu depuis de nombreuses années. La figure 3 annexée illustre un mode de réali- sation d'une diode à émission de champ 6 comprenant une pointe cathodique 15 insérée dans une pièce de support 26 conductrice et une anode 18 présentant une surface anodique plane 18a, enfermées dans une enceinte 14 sous vide. La pièce de support cathodique 26 et l'anode 18 présentent toutes deux des extensions respectives 26b et 18b permettant la liaison électrique de la diode avec une circuiterie extérieure. Lorsque le champ électrique appliqué à la pointe cathodique est important (> 106 V/m), celle-ci émet des électrons sans qu'il soit nécessaire de la chauffer. De telles valeurs du champ E sont obtenues en associant un potentiel élevé V, appliqué à l'anode, à une grande finesse (donc faible rayon de courbure R) de la pointe, en référence à la figure 4. Ainsi, avec des valeurs de R situées aux environs de 10 Nm, l'émis- sion de champ et, en conséquence, la conductivité entre les électrodes, est assurée avec des valeurs de V de plusieurs kilovolts. Lorsque, au contraire, on applique à l'anode un potentiel négatif, la diode n'est pas conductrice. Une telle diode à émission de champ convien- drait donc bien à l'application décrite ci-dessous car elle peut être traversée par des courants très élevés. Malheureusement, la conduction dans le sens dit "direct" (V positif) ne se produit que pour des valeurs élevées de V (quelques kilovolts) même en utilisant des pointes émissives très fines (R environ 4 à 5 Nm) en tungstène ou en carbone. La réalisation technique de ces pointes est relativement complexe et des rayons de courbure infé- rieurs à quelques micromètres n'ont, à notre connais- sance, pas pu être réalisés. En outre, même si des pointes plus fines pouvaient être fabriquées, leur fragilité mécanique poserait des problèmes. Le but de la présente invention est de remé- dier à ces inconvénients en créant une diode à émission de champ comprenant une enceinte maintenue sous vide, des moyens d'anode contenus dans ladite enceinte, réali- sés en un premier matériau conducteur et comportant des surfaces anodiques sensiblement planes et des moyens de connexion d'anode s'étendant à l'extérieur de ladite enceinte, des moyens de cathode contenus dans ladite enceinte et comportant: - des moyens émissifs, pour émettre des électrons vers lesdits moyens d'anode, placés sensible- ment face auxdits moyens d'anode et séparés de ces derniers d'une distance prédéterminée; - des moyens pour supporter lesdits moyens émissifs, comportant des moyens de connexion de cathode réalisés en un second matériau conducteur et s'étendant à l'extérieur de ladite enceinte. Suivant l'invention, lesdits moyens émissifs comportent des surfaces émissives constituées par les bords de couches minces d'un troisième matériau conducteur déposées sur des éléments isolants d'épais- seur prédéterminée en matériau diélectrique fixés auxdits moyens de support, lesdites couches minces, d'épaisseur prédéterminée étant maintenues en contact électrique avec lesdits moyens de supports et lesdites surfaces émissive étant sensiblement parallèles auxdites surfaces anodiques. On obtient ainsi des surfaces émissives de très faible épaisseur comprise entre 0,1 Dm et 1 Nm et donc de très faible rayon de courbure, permettant d'abaisser le seuil du potentiel de conduction à quel- ques centaines de volts, à la différence des diodes à émission de champ de l'art antérieur pour lesquelles les tensions de commutation peuvent atteindre plusieurs kilovolts. Suivant une version avantageuse de l'inven- tion, lesdits éléments isolants ont une forre sensible- ment parallélépipédique et sont disposés parallèlement l'un par rapport à l'autre et lesdites surfaces émis- sives sont toutes situées à égale distance desdites surfaces anodiques, lesdites couches minces constituant des plans parallèles entre eux et orthogonaux auxdites surfaces anodiques. Cette disposition permet d'augmen- ter les surfaces émissives et par conséquent le flux d'électrons émis par la cathode. Une distance égale entre les différences surfaces émissives et l'anode garantit une répartition régulière de l'émission d'électrons et limite la dégradation des surfaces émissives. D'autres particularités et avantages de l'in- vention apparaîtront encore dans la description ci- après. Aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs: la figure 1 est un schéma simplifié d'un système d'alimentation d'un lanceur électromagnétique par rails; la figure 2a illustre l'évolution en fonc- tion du temps du courant dans le conducteur glissant dans deux situations particulières: régime oscillatoire amorti et commutation; la figure 2b illustre l'évolution en fonc- tion du temps de la tension aux bornes du condensateur du système d'alimentation dans des conditions sembla- bles à celles de la:igure précédente; 20. la figure 3 représente la structure simpli- fiée d'une diode à émission de champ à pointe émissive; la figure 4 représente une vue agrandie de l'extrémité de la pointe émissive présentée en figure 3; À la figure 5 montre la structure d'une diode à émission de champ à tranchant émissif selon l'invention; la figure 6Amontre la structure d'une diode à émission de champ comportant plusieurs lames à ?635913 tranchant émissif; la figure 6B montre la structure détaillée de la cathode; la figure 7 représente une autre structure avantageuse de diode à émission de champ tubulaire avec électrode cathodique centrale; la figure 8 montre,au sein d'une diode à émission de champ tubulaire telle que celle représentée à la figure 7,le principe de fonctionnement; 10. la figure 9a illustre un circuit d'essai à haute puissance d'une diode à émission de champ à tranchant émissif conforme à l'invention; la figure 9b est une vue de côté des élec- trodes de la diode à émission de champ à tranchant émissif testée avec le circuit d'essai de la figure 9a; la figure 9c est une vue de face des élec- trodes représentées à la figure 9b; la figure 10a est un relevé expérimental de l'évolution temporelle du courant et de la tension dans la diode à émission de champ à tranchant émissif présentée aux figures 9b et 9c lors d'un premier essai de commutation; la figure 10b est un relevé expérimental de l'évolution temporelle du courant et de la tension dans la même diode lors de la vingtième commutation; la figure O10c est une vue agrandie du relevé expérimental de la tension présenté à la figure 0lob. La diode à tranchant émissif conforme à l'in- vention présente une cathode 25 dont la structure est représentée en figure 5. Une couche métallique 21 est déposée sur un support diélectrique 27 très fin, en principe de moins d'un millimètre d'épaisseur E2 en mylar (polytéréphta- late d'éthylène glycol), verre ou céramique. Ce dépôt métallique peut être obtenu par des procédés connus tels que la vaporisation sous vide ou l'évaporation cathodi- que et son épaisseur E1 est généralement comprise entre 0,1gm et 1 Dm. Le bord 20 de la couche mince 21 qui se trouve face à la surface anodique 18a constitue la surface émissive de la diode selon l'invention. L'espace interélectrode D est de préférence compris entre 0,2 mm et 1 mm. Plusieurs structures semblables peuvent avantageusement être disposées en superposition comme le suggère la figure 6a. Chaque structure émissive 35 comporte un élément isolant 37 sur lequel est déposée une couche mince métallique 31. Cette couche mince peut être de l'aluminium, de l'argent, du tungstène ou du carbone. Une pièce de support 36 réalisée avec un maté- riau conducteur tel que l'aluminium, accueille l'ensem- ble des structures émissives 35 et comporte une exten- sion 36b utilisée pour relier la cathode à des disposi- tifs extérieurs. De même, l'anode 18 comporte une extension 18b pour assurer la liaison électrique avec l'extérieur de la diode selon l'invention, et est géné- ralement de forme cylindrique. Suivant un mode de réalisation particulier de la cathode, des pièces d'espacement 38 en métal réfractaire séparent les différentes structures émissi- ves 35, en référence à la figure 6b. Ces pièces d'espa- cement, de forme parallélépipédique assurent le maintien des structures émissives 35 qui sont très fines et donc très fragiles (moins d'un millimètre d'épaisseur). Leur nature réfractaire permet de mieux concentrer l'émission d'électron à partir des surfaces émissives 30. Un très bon contact électrique entre ces surfaces émissives et la pièce de support 36 doit être assuré. Les pièces d'espacement 38 et la pièce de support 36 doivent présenter des surfaces de contact 38a sensiblement planes. Suivant une autre version avantageuse de l'invention, la structure émissive peut présenter une forme tubulaire, en référence à la figure 7. Un tube isolant 47 est encastré autour d'une pièce de support de cathode 46 de forme cylindrique. La surface sensiblement plane 46a de la pièce de support 46 se trouve en retrait par rapport à la surface émissive circulaire 40 constituée par le bord d'une couche mince 41 déposée sur la périphérie du tube isolant 47. Le diamètre de ce tube isolant est choisi inférieur au diamètre de l'anode 18. Cette configuration de cathode présente un effet technique avantageux. En effet, lors d'une commu- tation de la diode à émission de champ 66 conforme à l'invention, l'émission d'électrons 50 débute à la surface émissive circulaire 40, en référence à la figure 8. Il se produit alors une vaporisation superfi- cielle de l'anode 18 sous l'impact des électrons et la naissance d'un plasma 51 dans l'espace interélectrodes. Lors de l'accroissement du courant et de l'expansion du plasma 51, les lignes de courant vont se concentrer sur l'axe de la surface 46a, ce qui évite une vaporisation de la couche émissive mince 41, qui fait fonction de système d'amorçage, tout en assurant le passage de courants intenses à partir de la surface cathodique centrale 46a. Bien entendu, plusieurs couches tubulaires concentriques peuvent être envisagées sur une même pièce de support de cathode. On va maintenant décrire l'expérimentation d'un prototype de diode à émission de champ conforme à l'invention. L'expérimentation décrite cidessous a été effectuée dans des conditions représentatives d'une utilisation de la diode dans un circuit d'alimentation d'un lanceur électromagnétique par rails. Le circuit de test comporte, en référence à la figure 9a, un condensateur de stockage d'énergie 80, d'une capacité de 62,5 OF, une résistance 81 de limita- tion du courant maximum, d'une valeur de 0,1n, et une inductance de charge 82 de 15 gH. Ces trois composants: condensateur 80, résis- tance 81 et inductance 82 sont reliés en série à travers un commutateur commandé 83, de type éclateur. Une diode à émission de champ 6 selon l'inven- tion est placée aux bornes de l'inductance de charge 82, son anode étant reliée à l'une des bornes de la résis- tance 81 et sa cathode étant reliée à la masse. La charge initiale du condensateur de stockage 80 est assurée par une source de haute tension Vo0, par exemple égale à 10 kV, à travers une résistance 85 d'une valeur de 1 Mn. Une sonde de tension 84 est placée au niveau de l'anode de la diode 6. Une sonde de courant, non représentée, est prévue. La diode à émission de champ 6 expérimentée dans ce circuit présente une structure émissive parallélépipédique unique, comme l'illustrent les figures 9b et 9c. L'anode 98, réalisée en tungs- tène fritté, présente une forme cylindrique de diamètre extérieur Dl égal à 20 mm, sa surface anodique 98a présentant un diamètre D2 de 12 mm. La pièce de support de cathode 96 est de forme sensiblement parallélépipédique et réalisée en aluminium. Elle maintient une structure émissive d'une largeur A4 égale à 8 mm et d'une épaisseur de gm. Cette structure émissive est constituée d'une feuille de mylar (polytéréphtalate d'éthylène glycol) sur laquelle une couche métallique mince d' aluminium d'une épaisseur de 0,5 um a été préalablement déposée.. La pièce de support 96 présente en vis-à-vis de la surface anodique 98a une surface de section carrée de 12 mm de côté A3, A5, comportant la lame émissive 95 décrite ci-dessus. Son encombrement extérieur A6 dans la direction perpendiculaire à la direction principale de la lame émissive 95 est de 15 mm. L'espace inter- électrode D est de 0,5 mm. Un test de la diode à émission de champ 6 se déroule typiquement de la façon suivante: a) Le condensateur de stockage est tout d'abord chargé au moyen d'une source de haute tension extérieure V0 à travers la résistance de charge 85, la résistance 81 de limitation du courant maximum et l'inductance 82. b) Lorsque la tension aux bornes du condensa- teur 80 a pratiquement atteint la valeur de la tension de charge Vo, une impulsion de haute tension V est appliquée sur les électrodes de commande de l 'éclateur 83, provoquant la fermeture du circuit oscillant amorti (condensateur 80, résistance 81, inductance 82). c) La tension anode/cathode aux bornes de la diode 6, initialement négative et pratiquement égale à la tension de charge Vo0, croit suivant une évolution quasi-sinusoldale jusqu'à atteindre une valeur de tension de commutation positive Vcom, de l'ordre de 500 V, et donc très faible devant la tension initiale VO(10 kV). d) La diode 6 devient alors passante, court- circuitant ainsi l'inductance 82 et provoquant la décroissance quasi exponentielle du courant dans celle-ci. L'évolution du courant et de la tension de la diode 6 est représentàe sur les figures 10a et 10b qui correspondent respectivement au premier essai de la lame émissive et au vingtième essai. On constate que les courbes 102, 103 sont très voisines des courbes 100, 101 correspondant au premier essai. Seule peut-être une légère augmentation de la tension de commutation est observable. Par contre, la tension de conduction reste négligeable devant la tension inverse et devant la tension de commutation Ucom' en référence à la figure lOc. Ces valeurs de tension de commutation et de conductiQn sont à comparer avec les valeurs très élevées obtenues avec des structures émissives de l'art antérieur. A titre d'exemple, une expérimentation similaire menée avec une cathode à fibre de carbone a conduit à une tension de commutation de l'ordre de 2,7 kV. De même, l'utilisation de cathodes métalliques affûtées, de type lame de rasoir, a conduit à une tension de commutation de 3 kV à la première décharge et atteignant déjà 7,5 kV à la troisième décharge, la tension de conduc- tion restant toujours très faible. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. La diode à émission de champ selon l'invention peut ainsi être utilisée dans d'autres circuits d'élec- trotechnique impulsionnelle nécessitant des commutateurs à très haute performance. REVENDICATIONS 1. Diode à émission de champ comprenant une enceinte (6) maintenue sous vide, des moyens d'anode (18) contenus dans ladite enceinte, réalisés en un pre- mier matériau conducteur et comportant des surfaces anodiques sensiblement planes (18a) et des moyens de connexion d'anode (18b) s'étendant à l'extérieur de ladite enceinte, des moyens de cathode (15, 25, 35, 45) contenus dans ladite enceinte comportant: - des moyens émissifs, pour émettre des élec- trons vers lesdits moyens d'anode (18), placés sensi- blement face auxdits moyens d'anode et séparés desdits moyens d'anode d'une distance prédéterminée (D); - des moyens pour supporter (26, 36, 46) lesdits moyens émissifs, comportant des moyens de connexion de cathode (26b, 36b, 46b) réalisés en un second matériau conducteur et s'étendant à l'extérieur de ladite enceinte, caractérisée en ce que lesdits moyens émissifs compor- tent des surfaces émissives (20, 30, 40) constituées par les bords de couches minces (21, 31, 41) d'un troisième matériau conducteur déposées sur des éléments isolants (27, 37, 47) d'épaisseur prédéterminée (E2) en matériau diélectrique fixés auxdits moyens de support (26, 36, 46), lesdites couches minces (21, 31, 41) d'épaisseur prédéterminée El, étant maintenues en contact électrique avec lesdits moyens de support (26, 36, 46) et lesdites surfaces émissives (20, 30, 40) étant sensiblement parallèles auxdites surfaces anodi- ques (18a). 2. Diode à émission de champ conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits éléments isolants (37) ont une forme sensiblement parallélépipé- dique et sont disposés parallèlement l'un par rapport à l'autre et en ce que lesdites surfaces émissives (30) sont toutes situées à égale distance (D) desdites surfaces anodiques (18a), lesdites couches minces (31) constituant les plans parallèles entre eux et orthogo- naux auxdites surfaces anodiques (18a). 3. Diode à émission de champ conforme à la revendication 2, caractérisée en ce que lesdits moyens (36) pour supporter lesdits moyens émissifs (30) comprennent en outre des pièces d'espacement (38) en métal réfractaire, de forme sensiblement parallélipipé- dique, intercalées entre chacun desdits éléments iso- lants et en ce que l'ensemble constitué par lesdites pièces d'espacement (38), lesdits éléments isolants (37) et lesdites couches minces (31) présente une sur- face opposée auxdites surfaces émissives (30), plane (38a) en contact électrique avec lesdits moyens de connexion (36b), lesdits éléments isolants (37) et lesdites couches minces (31) étant de largeur, suivant une direction perpendiculaire auxdites surfaces émissi- ves (30), supérieure à celle desdites pièces d'espace- ment (38). 4. Diode à émission de champ conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits éléments isolants (47) sont des tubes concentriques d'axe per- pendiculaire auxdites surfaces anodiques (18a) et de section sensiblement parallélipipédique, lesdites couches minces (41) étant déposées sur les surfaces extérieures de chacun desdits tubes concentriques. 5. Diode à émission de champ conforme à l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que lesdits moyens d'anode (18) consistent en un disque plein et en ce que lesdits moyens de connexion d'anode (18b) s'étendent à l'extérieur de ladite enceinte (6) suivant l'axe dudit disque plein, ladite surface anodique sensiblement plane (18a) étant la surface du disque opposée auxdits moyens de connexion d'anode (18b). 6. Diode à émission de champ conforme aux revendications 4 et 5, caractérisée en ce que lesdits éléments isolants consistent en un tube isolant unique (47) et en ce que lesdits moyens de support (46) s'étendent à l'intérieur dudit tube isolant (47) et comportent une surface cathodique (46a) plane sensible- ment en forme de disque, en vis-à-vis de ladite surface anodique (18a) et parallèle à cette dernière, ladite surface cathodique (46a) étant sensiblement en retrait par rapport à ladite surface émissive (40), vis-àvis de ladite surface anodique (18a). 7. Diode à émission de champ conforme à l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que ladite distance prédéterminée (D) séparant lesdits moyens émissifs (20, 30, 40) desdites surfaces anodi- ques (18a) est comprise entre 0,2 mm et 1 mm. 8. Diode à émission de champ conforme à l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que ladite épaisseur prédéterminée (El) desdites couches minces (21, 31, 41) est comprise entre 0,1 dm et 0,5 Nm. 9. Diode à émission de champ conforme à l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que ladite épaisseur prédéterminée (E2) desdits éléments isolants (27, 37, 47) est inférieure à 1 mm et de préférence sensiblement égale à 10 Nm.