Brevet FR2643505A1 — publié le 19900824

"Ensemble de cathode thermo-électronicue pour dispositifs à faisceau électronique' La présente invention concerne les dispositifs électroniques et a notamment pour objet un ensemble de cathode chaude ou thermo-électronique pour dispositifs à faisceau électronique. La présente invention peut être utilisée dans l'industrie électronique, notamment dans les dispositifs de génération de faisceaux à courant élevé, par exemple dans des injecteurs et des accélérateurs de plasma. Dans le cas o l'ensemble de cathode thermo- électronique comporte un masque mettant en forme le faisceau électronique, la fixation du masque et de l'émetteur associé à ce dernier au corps de l'ensemble de cathode thermo-électronique pose des difficultés, et ces difficultés croissent dans le cas o l'émetteur risque de sortir intempestivement de son logement et de tomber sous l'action de son propre poids, par exemple lorsque l'ensemble de cathode est disposé horizontalement. On connaît des ensembles de cathode thermo- électronique dans lesquels la fixation de l'émetteur et du masque est fiable, mais leur exécution constructive ne permet de remplacer l'émetteur (en cas d'endurance épuisée) qu'en sortant l'ensemble de cathode du dispositif et en le démontant complètement. Comme les ensembles de cathode thermo-électronique fonctionnent à des températures très élevées (1600'C environ), les éléments de fixation subissent des déformations et se cassent lors du démontage desdits ensembles. En assurant simultanément la fixation fiable du masque et de l'émetteur dans l'ensemble de cathode thermo- électronique associée et la possibilité de remplacer rapidement et facilement l'émetteur, on pourrait augmenter la fiabilité de l'ensemble de cathode en totalité. On connait un ensemble de cathode thermo- électronique (SU, A, 376825), comportant un corps, dans lequel est placé un réchauffeur fait en un carbure de métal difficilement fusible ou en graphite et se présentant sous forme d'un boîtier conique, la surface latérale duquel présente, à son extrémité ouverte, une gorge dans laquelle est monté l'émetteur. Lors du montage d'un tel ensemble de cathode thermo-électronique, l'émetteur est monté d'une façon très serrée dans le réchauffeur; or, lors du fonctionnement de l'ensemble, un jeu apparaît à cause de la différence des coefficients de dilatation thermique des matières dont sont faits l'émetteur (par exemple, l'hexaborure de lanthane) et le réchauffeur (le graphite). Lorsque le jeu devient grand, l'émetteur peut sortir de son logement; l'ensemble de cathode thermo-électronique ne peut donc être utilisé qu'en montant verticalement le dispositif qui le contient, et est peu fiable à l'utilisation. Pour remplacer un émetteur en panne, on est obligé de sortir' du dispositif tout l'ensemble de cathode thermo-électronique en risquant de casser ses éléments en graphite fragiles. On connaît aussi un ensemble cathodique (FR, A, 2395600) comportant un corps dans lequel sont mis un réchauffeur sous forme d'une spirale, et une chambre cylindrique montée verticalement et abritant un émetteur. Un orifice, dont le diamètre est inférieur au diamètre de l'émetteur, est pratiqué dans le fond de la chambre de sorte que ce dernier bute d'un côté contre le fond de la chambre. De l'autre côté, l'émetteur est serré contre ce fond par un ressort annulaire assurant une fixation fiable de l'émetteur. L'orifice dans le fond joue aussi le rôle d'un masque, c'està-dire confère au faisceau électronique la forme voulue. La structure considérée de l'ensemble de cathode thermo-électronique assure une fixation fiable de l'émetteur, mais pour remplacer ce dernier, il faut démonter tout l'ensemble. Le ressort annulaire retenant en place l'émetteur est orienté directement vers l'élément chauffant et est soumis à l'action de hautes températures auxquelles se produit la cristallisation de la matière dont ce ressort est fait, ce qui provoque la perte de ses propriétés élastiques et sa mise éventuelle hors d'état de service lors du démontage. Dans d'autres cas, le ressort annulaire peut se souder aux parois de la chambre. En outre, la présence de bords superflus au fond de la chambre crée un grand danger de claquage électrique de l'espace interélectrode. On connaît également bien un ensemble de cathode thermo-électronique pour dispositifs à faisceau électronique (Thèses des rapports du V-me Symposium de l'URSS concernant l'électronique à courants forts, 1984, (Tomsk), V.V. Glebov, V.V. Gulanova et all. "Relaxatsia i magnitnaya kompressia puchkov v mnogoluchevom inzhektore" (Relaxation et compression magnétique des faisceaux dans un injecteur à plusieurs faisceaux)), comportant un corps, dans lequel est disposé un élément chauffant en graphite, un émetteur et un masque en graphite exécutés en forme de disque et montés en série sur l'élément chauffant, ainsi qu'un moyen de fixation du masque et de l'émetteur au corps. Dans la structure connue de l'ensemble de cathode thermo-électronique, le moyen de fixation du masque et de l'émetteur se présente sous la forme d'un cylindre ayant une surface intérieure conique, monté coaxialement à l'émetteur. A l'intérieur du cylindre, du côté de sa face d'extrémité, à grand diamètre, de l'orifice central, est monté un masque faisant un tout avec le cylindre. Le corps de l'ensemble de cathode thermo- électronique connu est exécuté sous forme d'un boîtier, muni d'une bride possédant des saillies circulaires de forme conique. La partie périphérique massive de la paroi du cylindre, ayant la plus grande hauteur dans la direction axiale, est réunie au moyen de goupilles à la bride du boîtier, en ne touchant qu'à ses saillies, pour réduire les pertes de chaleur. L'élément chauffant est une spirale en graphite montée du côté inactif de l'émetteur. Comme le montre la structure de l'ensemble, le moyen de fixation du masque et de l'émetteur est assez difficile à fabriquer et exige d'assurer une correspondance précise des pièces à réunir au corps. En cas de fonctionnement dans des conditions de hautes températures, il y a une possibilité de soudage des goupilles à la paroi du cylindre en graphite et de détérioration de la continuité du filetage lors du démontage de l'ensemble ayant pour but le remplacement de l'émetteur. Cet ensemble de cathode thermo- électronique connu n'est donc pas fiable. L'invention vise à fournir un tel ensemble de cathode thermo-électronique pour dispositifs à faisceau électronique, qui ait un tel moyen de fixation du masque et de l'émetteur au corps et un tel élément chauffant, qu'il devienne possible d'augmenter la fiabilité de la fixation de l'émetteur et du masque au corps et de simplifier l'opération de remplacement de l'émetteur dans l'ensemble de cathode thermo- électronique sans démonter l'ensemble. Le problème ainsi posé est résolu du fait que dans un ensemble de cathode thermo-électronique pour dispositifs à faisceaux électroniques, comportant un corps abritant un élément chauffant ou réchauffeur en graphite, un émetteur et un masque en graphite exécutés en forme de disques et montés coaxialement, successivement, sur le réchauffeur, ainsi qu'un moyen de fixation du masque et de l'émetteur au corps, selon l'invention, le moyen de fixation du masque et de l'émetteur au corps est éxécuté sous la forme d'une bague fendue ayant une surface latérale extérieure conique et montée à l'extérieur du masque de façon à former un espacement entre elle et la surface latérale du masque et que sa grande base soit orientée vers l'émetteur, une saillie étant aménagée à la surface latérale intérieure de la bague fendue pour le raccordement de celle-ci au masque, et le réchauffeur étant exécuté sous la forme d'un boîtier, la surface latérale intérieure duquel possède, du côté de son extrémité ouverte, une gorge circulaire recevant l'émetteur et la bague fendue et ayant deux portions de sa surface latérale congruentes, respectivement, l'une à la surface latérale de l'émetteur, et l'autre à la surface latérale extérieure conique de la bague fendue. Il est rationnel d'exécuter la bague fendue et le masque en une seule pièce, la bague et le masque possédant la même épaisseur dans la direction axiale. I1 est avantageux qu'une saillie prévue sur la surface latérale intérieure de la bague fendue soit disposée symétriquement par rapport à l'emplacement des extrémités libres (de la fente) de la bague fendue. Il est avantageux que le masque ait sa surface latérale conique et soit orienté vers l'émetteur par sa grande base et que la bague fendue ait une surface latérale intérieure conique, les angles d'inclinaison des génératrices de la surface intérieure conique de la bagure fendue et de la surface latérale conique du masque à leur axe commun étant sensiblement égaux. Il est commode que l'angle d'inclinaison de la génératrice de la surface latérale extérieure conique de la bague fendue à son axe se situe dans la plage de -9 '. Il est aussi avantageux que la valeur de l'espacement entre la surface latérale conique du masque et la surface latérale extérieure conique de la bague fendue soit déterminée par la relation: 1,5 h.tg T direction radiale, dans le plan de sa petite base. Il est préférable que l'angle d'inclinaison des génératrices de la surface latérale conique du masque et de la surface latérale intérieure conique de la bague fendue à leur axe commun soit déterminé par la relation: arc tg surface latérale intérieure conique de la bague fendue. L'ensemble de cathode thermo-électronique pour dispositfs à faisceau électronique proposé, grâce à l'exécution de son moyen de fixation du masque et de l'émetteur au corps sous la forme d'une bague fendue montée dans le réchauffeur, assure une haute fiabilité de la fixation du masque et de l'émetteur au corps de l'ensemble. Par ailleurs, une telle exécution constructive assure la possibilité d'un remplacement simple de l'émetteur sans avoir & démonter tout l'ensemble de cathode, ce qui augmente l'endurance de ce dernier. Dans l'ensemble de cathode thermo- électronique proposé, pour obtenir la forme nécessaire du faisceau électronique, divers masques peuvent être employés, munis de bagues fendues, le montage desquels est simple et très fiable. - Dans ce qui suit, l'invention est expliquée à l'aide de la description d'une version concrète et d'un exemple de sa réalisation, faite en référence aux dessins annexés, dont: la figure 1 montre un ensemble de cathode thermo-électronique pour dispositifs à faisceaux électroniques, en coupe longitudinale, selon l'invention; - la figure 2 montre un masque et une bague fendue, vue en plan, selon l'invention. L'ensemble de cathode thermo-électronique pour dispositifs à faisceau électronique comporte un corps 1- (figure 1) abritant un élément chauffant ou réchauffeur 2 en graphite exécuté sous la forme d'un godet conique à fentes. La surface latérale intérieure du boîtier possède, du côté de son extrémité ouverte, une gorge circulaire 3. Un émetteur 4 fait par exemple en hexaborure de lanthane, et un masque en graphite 5 sont disposés coaxialement, l'un après l'autre, sur le réchauffeur 2 et sont retenus sur ce dernier à l'aide d'un moyen de fixation du masque 5 et de l'émetteur au corps qui est exécuté sous la forme d'une bague fendue en graphite 6 ayant les surfaces latérales coniques. La bague fendue 6 est montée avec un espacement "a" par rapport à la surface latérale du masque 5 et est orientée par sa grande base vers l'émetteur 4. La gorge 3, dans laquelle sont montés l'émetteur 4 et la bague fendue 6, comporte deux portions de sa surface latérale congruentes, respectivement, l'une à la surface latérale de l'émetteur 4, et l'autre, à la surface latérale conique de la bague fendue 6. Dans la version considérée, la bague fendue 6 et le masque 5 sont exécutés en une seule pièce et ont la même épaisseur h dans la direction axiale. Cette exécution constructive est la plus avantageuse du point de vue de la technologie car elle assure une résistance à la flexion suffisante, l'extension et la compression de la bague fendue 6 lors de son montage conjointement avec le masque 5 dans la gorge 3 du réchauffeur 2. Pour obtenir une forme déterminée du faisceau électronique, dans le masque 5 une fente circulaire est pratiquée pour mettre en forme un faisceau d'électrons divergent. Le corps 1 est fait par exemple en un métal difficilement fusible, par exemple, en tantale, et pour réduire les pertes thermiques, un écran 8 est monté à l'extérieur du corps 1. Le corps 1 est monté sur une base 9 en matériau électro-isolant, par exemple en carbonitrure de bore. L'angle f d'inclinaison de la surface latérale extérieure conique de la bague fendue 6 est déterminé expérimentalement et se situe dans la plage de- - a Au-dessous de la limite inférieure de cette plage de valeurs, les forces de frottement sont insuffisantes pour retenir la bague fendue 6 avec le masque 5 et l'émetteur 4 dans la gorge 3 du réchauffeur 2, par exemple dans le cas o l'ensemble de cathode thermo- électronique est disposé horizontalement. Lorsque la valeur de l'angle f est supérieure à -,>, certaines difficultés technologiques apparaissent lors de la fabrication de la bague fendue 6. Le masque 5 a une surface latérale conique et les angles & d'inclinaison des génératrices de la surface latérale conique du masque 5 et de la surface latérale intérieure conique de la bague fendue 6 à leur axe commun sont sensiblement égaux et sont déterminés en partant de la condition d'absence de vision directe à travers l'espacement "a". Un tel angle 'est choisi pour prévenir le passage des électrons à travers l'espacement "a" lors du fonctionnement de l'ensemble de cathode thermo- électronique. La valeur de l'angle est déterminée à l'aide de la relation: 4a arc tg- a condition d'absence de vision directe est respectée. La limite supérieure de l'angle est choisie expérimentalement en partant de la condition de couverture sûre de la zone de sortie des électrons de la surface de l'émetteur 4 sur une étendue au moins égale à un tiers de la valeur de l'espacement "a". Les paramètres de départ pour le calcul des paramètres géométriques du masque 5 sont constitués par le diamètre du faisceau électronique qu'il forme et l'épaisseur h qui est choisie en partant des conditions régissant les calculs de l'optique électronique du dispositif utilisant l'ensemble de cathode thermo- électronique. Le diamètre extérieur D de la petite base de la bague fendue 6, sa largeur b dans la direction radiale dans le plan de sa petite base, la valeur de l'espacement "a" et le diamètre de la petite base du masque 5 sont déterminés par leur résistance mécanique à obtenir. Pour la commodité du montage de la bague fendue 6 et du masque 5 sur le réchauffeur 2, la surface latérale extérieure conique de la bague fendue 6 possède des évidements 10 (figure 2). On comprime la bague fendue 6 à son montage dans le réchauffeur 2 jusqu'à ce que la surface intérieure de la bague fendue 6 vienne en contact avec la surface latérale du masque 5 dans la zone o se trouvent les évidements 10. De ce fait, la valeur de l'espacement "a" doit être supérieure à h.tgf. Par l'expérience, il a été établi qu'il est rationnel de choisir la valeur "a" supérieure à 1,5 h.tg cette valeur permettant un montage et un enlèvement très aisés du masque 5 conjointement avec la bague fendue 6. La distance entre les extrémités libres de la bague fendue 6 doit être au moins 2a. La limite supérieure de la valeur de l'espacement "a" est déterminée par le calcul de la résistance mécanique dans lequel sont utilisées des données telles que la flèche de la bague fendue 6 dans la zone des évidements et le rapport entre la résistance à la traction et le module d'élasticité pour le graphite. De cette façon, les limites de variation de l'espacement "a" sont déterminées à partir de la relation suivante: 1,5 tg 1,5 tg, d'o on peut obtenir la limite supérieure pour b: D2 b déterminée par le calcul de la résistance mécanique. Les calculs montrent que la limite inférieure pour la valeur "b" est d'un ordre de grandeur inférieure à la ll limite supérieure et dépend du poids de l'émetteur 4 (fig. 1). Dans la version considérée, la saillie 11 (fig. 2) sur la surface intérieure latérale de la bague fendue 6 se situe symétriquement par rapport aux extrémités libres de la-bague fendue 6 et sa largeur H est déterminée par le calcul de la résistance mécanique. Dans le masque 5, une fente circulaire 7 est pratiquée avec trois barrettes de liaison 12. Dans d'autres versions, la forme de la fente 7, ainsi que le nombre de telles fentes, peut être autre, ces forme et nombre de fentes étant déterminés par la forme à obtenir du faisceau électronique. Il convient de noter que la structure proposée du moyen de fixation du masque 5 et de l'émetteur 4 au corps 1 permet de rendre moins sévères les prescriptions concernant les dimensions de l'émetteur 4, car celui-ci est fiablement retenu dans le réchauffeur 6 à l'aide de la bague fendue 6, indépendemment de la disposition de l'ensemble de cathode thermo-électronique. Pour monter l'émetteur 4 et le masque 5 avec bague fendue 6 dans l'ensemble de cathode thermo- électronique, on place d'abord l'émetteur 4 dans la gorge 3, dans la partie de cette dernière o sa surface latérale est congruente à la surface latérale de l'émetteur 4. Ensuite, on prend, par exemple en se servant d'une pince, le masque 5 avec la bague fendue 6, on serre cette dernière et on les met dans la gorge 3, à sa portion suivante. On desserre la pince, et la bague fendue 6 reprend son état initial en retenant d'une façon fiable l'émetteur 4 et le masque 5 dans le réchauffeur 2. Au besoin, on peut remplacer facilement et rapidement, sans avoir à démonter tout l'ensemble de cathode thermo-électronique, l'émetteur 4 en panne ou bien monter le masque 5 conférant au faisceau électronique une autre forme. L'ensemble de cathode thermo-électronique fonctionne comme suit. Lorsqu'on met sous tension les entrées de courant (non montrées sur le dessin) du réchauffeur 2, celui-ci s'échauffe jusqu'à une température de 1900 à 2200 C et chauffe par radiation l'émetteur 4. En s'échauffant jusqu'à une température de travail se sitant dans la plage de 1400 à 1650'C, l'émetteur 4 émet, de son côté actif, orienté vers le masque 5, un flux d'électrons qui acquiert la forme prédéterminée en passant par la fente 7 du masque 5. Les écrans 8 réduisent les pertes thermiques de l'ensemble de cathode thermo-électronique. Simultanément avec l'échauffement de l'émetteur 4, s'échauffent aussi le masque 5 et la bague fendue 6 qui sont portés à une température inférieure à celle de l'émetteur 4. Les coefficients de dilatation thermique de l'hexaborure de lanthane et du graphite, dont sont faits, respectivement, l'émetteur 4 et le masque 5 avec la bague fendue 6, sont tels, que le masque 5 et la bague fendue 6 subissent une dilatation plus grande que la dilatation de l'émetteur 4. Dans ces conditions, la bague fendue se dilate dans la gorge circulaire 3 de l'élément chauffant 2 en assurant une fixation sûre de l'émetteur 4. Pour pouvoir mieux comprendre l'idée et les avantages de l'invention, considérons un exemple concret de son exécution. Le masque 5 est fait en graphite et en forme de disque d'une épaisseur h = 1 mm. La largeur de la bague fendue à sa petite base est b = 1,5, le diamètre de la petite base de la bague fendue étant D = 31 mm. L'angle = 50'. La distance entre les extrémités libres de la bague fendue est égale à 5 mm. L'angle f = 25 , la valeur de l'espacement "a": a = 1 mm. De la relation (2) on obtient: 1,5 h.tg = 0,69 mm et 6.10-3 b+tg h = 2,4 mm. b+tgY. h On voit ainsi que la valeur de l'espacement "a" (1 mm) se situe dans les limites prescrites. A l'aide de la relation (1), déterminons la limite supérieure et la limite inférieure pour l'angle :.arc tg = 45', arc tg 43h = 54'. On voit que la valeur choisie de l'angle &(50') se trouve dans les limites de la plage de consigne. L'ensemble de cathode thermo-électronique était essayé sur un banc d'essais. On plaçait l'ensemble de cathode thermo-électronique dans une chambre à vide, dans laquelle il était maintenu une dépression de (2,6 à 4,0).10-3Pa. La température de brillance de travail de l'émetteur était de 1450'C et la température de brillance du masque, 1120C. Les essais ont montré que l'exécution constructive proposée du moyen de fixation du masque et de l'émetteur assure la possibilité de remplacer plusieurs fois l'émetteur sans avoir à démonter tout l'ensemble de cathode thermo-électronique. REVENDICATIONS 1 - Ensemble de cathode thermo-électronique pour dispositifs à faisceau électronique, comportant un corps (1) abritant un réchauffeur (2) en graphite, un émetteur (4) et un masque en graphite (5) exécutés sous la forme de disques, montés coaxialement, successivement, sur le réchauffeur (2), et un moyen de fixation du masque (5) et de l'émetteur au corps, caractérisé en ce que le moyen de fixation du masque (5) et de l'émetteur au corps est exécuté sous la forme d'une bague fendue (6) ayant une surface latérale extérieure conique et montée à l'extérieur du masque (5), avec un espacement (a) par rapport à la surface latérale de ce dernier et orientée par sa grande base vers l'émetteur (4), une saillie (11) étant aménagée à la surface latérale intérieure de la bague fendue (6), pour raccorder cette dernière au masque (5), et le réchauffeur (2) est exécuté sous la forme d'un boîtier possédant à sa surface latérale intérieure, du côté de son extrémité ouverte, une gorge circulaire (3) destinée à recevoir l'émetteur (4) et la bague fendue (6), la surface de la gorge étant divisée en deux portions, une portion, congruente à la surface latérale de l'émetteur (4), et l'autre, congruente à la surface latérale extérieure conique de la bague fendue (6), respectivement. 2 - Ensemble de cathode thermo-électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bague fendue (6) et le masque (5) font un tout et ont dans la direction axiale la même épaisseur (h). 3 - Ensemble de cathode thermo-électronique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la saillie (11) à la surface latérale intérieure de la bague fendue (6) est disposée symétriquement par rapport aux extrémités libres de cette bague. 4 - Ensemble de cathode thermo-électronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le masque (5) a sa surface latérale conique et est orienté par sa grande base vers l'émetteur (4), et la bague fendue (6) a sa surface latérale intérieure conique, les angles È) d'inclinaison des génératrices de la surface latérale intérieure conique de la bague fendue (6) et de la surface latérale conique du masque (5) à leur axe commun étant sensiblement égaux. - Ensemble de cathode thermo-électronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'angle (f) d'inclinaison de la génératrice de la surface latérale extérieure conique de la bague fendue (6) à son axe se situe dans la plage de t àa 6 - Ensemble de cathode thermo-électronique selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la valeur de l'espacement (a) entre la surface latérale conique du masque (5) et la surface latérale extérieure conique de la bague fendue (6) est déterminée par la relation suivante: _3 D2 1,5 h.tg f fendue à son axe. 7 - Ensemble de cathode thermo-électronique selon l'une quelconque des revendications de 4 à 6, caractérisé en ce que l'angle (