Brevet FR2664427A1 — publié le 19920110

CATHODE A CHAUFFAGE INDIRECT A FILAMENT INTEGRE POUR TUBE A FAISCEAU LINEAIRE La présente invention concerne les cathodes à émission thermoélectronique, à chauffage indirect pour tubes à faisceaux d'électrons linéaires tels que les klystrons et les tubes à ondes progressives. Elle vise à diminuer leur temps de montée en température. Les cathodes à chauffage indirect comportent principalement un filament destiné à chauffer un pavé émettant des électrons. Le filament souvent replié sur lui-même est bobiné en double hélice. Les fils de chaque spire sont isolés les uns des autres par des perles de verre ou sont noyés dans un isolant. Cet isolant est connu sous le terme anglosaxon de "pottlng" et les cathodes sont dites "pottées". Le pavé émissif, fixé sur un support, est en contact thermique avec l'isolant et donc le filament. Le pavé émissif est éloigné du filament. Le filament est généralement réallsé en tungstène pur ou allié. Les cathodes à chauffage indirect fournissent une densité de courant supérieure à celle des cathodes à chauffage direct, de conception plus ancienne. Dans les cathodes à chauffage direct, le filament nu est chauffé et émet des électrons. Dans les cathodes à chauffage indirect, le filament est éloigné du pavé émissif. La masse qui doit être portée à haute température est plus importante que celle des cathodes à chauffage direct surtout dans le cas des cathodes "pottées". Il en résulte une importante différence de température entre le filament et le pavé émissif. L'isolant enrobant le filament est souvent formé à partir d'une pâte d'alumine, de caractéristiques physico-chimiques bien déterminées. C'est un matériau médiocre conducteur de la chaleur. Les cathodes à chauffage indirect démarrent lentement car le pavé émissif met un certain temps avant d'atteindre sa température optimale de fonctionnement qui est de l'ordre de 10500 C. Pour cela, la température du filament doit atteindre 12000 C et même dans certains cas jusqu'à 16000 C. Cette température trop élevée peut être à l'origine de la détérioration du filament lui-même ou de l'isolant. Dans ce cas, les cathodes ont une durée de vie très insuffisante. Des études notamment sur les matériaux émissifs ont permis de mettre au point des matériaux capables d'émettre des électrons, avec des densités de courant de plusieurs ampères par centimètre carré, à des températures inférieures à 10000 C. Le scandium ajouté aux alcalino-terreux habituels est un de ces matériaux. On peut alors limiter la température du filament de chauffage et augmenter la durée de vie de la cathode jusqu'à 100 000 heures et au delà. Malgré ces progrès, on reste toujours tributaire des matériaux intermédiaires placés entre le filament et le pavé émissif. Ces matériaux servent d'une part, au transfert du flux thermique du filament vers le pavé émissif et d'autre part au maintien en place du filament et du pavé émissif. Ils doivent être capables de supporter des chocs thermiques importants et répétés, provoqués par la mise en marche et l'arrêt de la cathode et ceci pendant la durée de vie du tube sur laquelle elle est montée. Il arrive encore bien souvent que l'on observe des zones où l'isolant s'est décollé du filament et même du support et n'est plus en contact thermique avec le pavé émissif. Ces anomalies n'empêchent pas le tube de fonctionner mais elles font varier la température du pavé émissif et perturbent l'émission d'électrons. Ces anomalies sont préjudiciables à la fiabilité du tube. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients en proposant une cathode à chauffage indirect comportant un filament intégré sur un support électriquement isolant et un élément émettant des électrons en contact thermique avec le support. Les risques de décollements cités précédemment sont réduits par l'emploi d'un support en céramique de haute qualité et de haute pureté et par l'emploi du filament intégré. Cette structure à filament intégré permet de réduire la masse et l'encombrement de la cathode, ainsi que son temps de montée en température. L'utilisation du filament intégré améliore la rigidité de la cathode par rapport aux cathodes à filament bobiné en hélice avec des spires isolées par des perles de verre. La fiabilité d'un tube utilisant une cathode selon l'invention sera accrue. Le coût de la cathode est réduit d'environ de moitié par rapport aux cathodes dites "pottées". En effet les opérations à réaliser pour isoler le filament sont longues, difficilement automatisables et donc coûteuses. La présente invention propose une cathode à chauffage indirect pour tube hyperfréquence à faisceau linéaire, comprenant un filament conducteur destiné à chauffer un élément émettant des électrons, caractérisée en ce que le filament consiste en une piste conductrice réalisée par dépôt d'un matériau conducteur sur une première face d'un support électriquement isolant, l'élément émettant des électrons étant relié thermiquement à une deuxième face du support isolant. La piste conductrice comporte à chacune de ses extrémités un plot conducteur pour l'alimentation en courant du filament. L'élément émissif est fixé sur une pièce intermédiaire en matériau thermiquement conducteur et réfractaire, cette pièce intermédiaire étant maintenue en contact mécanique avec la deuxième face du support isolant. Un réflecteur thermique, en regard du filament peut renvoyer vers le support de la chaleur produite par le filament. Le support isolant peut avoir la forme d'un disque, l'élément émissif d'une pastille de dimensions inférieures ou égales à celle du disque et la pièce intermédiaire d'une membrane circulaire. Le filament replié sur lui-même peut être enroulé en double spirale. Selon un autre mode de construction, le support isolant peut avoir la forme d'un premier cylindre creux, la pièce intermédiaire d'un deuxième cylindre creux coaxial avec le premier. La pièce intermédiaire est encastrée à l'intérieur du support. L'élément émissif peut être en forme de pastilie et être fixé à une extrémité de la pièce intermédiaire. Le filament replié sur lui-même peut avoir la forme d'une double hélice et être disposé sur la face externe du support isolant. On choisira de préférence le support isolant dans une céramique aussi pure que possible, diffusant bien la chaleur. L'alumine, la glucine, le nitrure de bore ou le nitrure d'aluminium peuvent être utilisés. La piste conductrice pourra être réalisée par pulvérisation, bombardement ionique, attaque sélective, d'un matériau métallique à travers un masque. Ce matériau métallique peut être du tungstène, du molybdène ou un de leurs alliages. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemples non limitatifs, illustrée par les figures annexées qui représentent - la figure 1 une coupe longitudinale d'une cathode à chauffage indirect à filament noyé dans un isolant selon l'art antérieur, - la figure 2 une vue de la face arrière d'une cathode selon l'invention; - la figure 3 une vue de la face avant d'une cathode selon l'invention; - la figure 4 une coupe longitudinale d'une variante d'une cathode selon l'invention; La figure 1 représente une cathode à chauffage indirect selon l'art antérieur. Elle comporte un filament 1 replié sur lui-même en épingle à cheveu et enroulé en double hélice. Deux spires consécutives sont non jointives. Le filament peut être un fil de tungstène.Le filament 1 est introduit dans une enveloppe métallique 4 en forme de cylindre creux, ouvert. Les deux extrémités 3 du filament 1 émergent du même coté de l'enveloppe 4. Elles seront reliées aux deux bornes d'une alimentation électrique (non représentée). L'intérieur de l'enveloppe 4 est rempli d'un isolant 5 de manière à noyer le filament. Cet isolant 5 initialement liquide ou pâteux, durcit et maintient les spires de l'hélice en position. L'isolant 5 généralement utilisé est une sorte de ciment appelé "potting" dans la littérature anglosaxonne. Il consiste généralement en des grains d'alumine mélangés à un liant. Ce matériau est fritté dans des conditions bien connues de l'homme de l'art. Ce matériau est un conducteur thermique médiocre.Sa technique de fabrication ne permet pas d'éviter des défauts (tels que des bulles) qui peuvent être à l'origine de fractures apparaissant pendant le fonctionnement de la cathode. Un élément 2 émettant des électrons lorsqu'il est chauffé, ferme l'autre côté de l'enveloppe 4. Cet élément 2 est fixé sur l'enveloppe 4 et est aussi en contact thermique avec l'isolant 5 et donc avec le filament 1. Cet élément 2 peut être brasé ou soudé ou encore serti sur l'enveloppe 4. Lorsque le filament 1 chauffe, il faut un certain temps pour que l'élément émissif 2 atteigne la température lui permettant d'émettre des électrons. Le filament 1 est relativement éloigné de l'élément émissif 2. La masse devant être portée à haute température est importante. Le filament 1 doit avoir une température supérieure à celle de l'élément émissif 2 pour que la cathode fonctionne. L'isolant 5 et l'enveloppe 4 doivent être capables de transmettre le flux thermique entre le filament 1 et l'élément émissif 2 et ceci dans des conditions de chocs thermiques répétés, en fonction des périodes de mise en marche et d'arrêt du tube sur lequel est montée la cathode. Il arrive que l'on observe des zones de décollement de l'isolant 5 au niveau du filament 1 ou de l'enveloppe 4. Ces décollements sont préjudiciables au bon fonctionnement de la cathode. Les figures 2 et 3 représentent une cathode conforme à l'invention. Elle comporte un support 10 isolant ayant deux faces principales 16,17. Ce support 10 a ici la forme d'un disque. Ce support 10 est isolant électriquement, il est réalisé en céramique aussi pure que possible. On peut utiliser de l'alumine, de la glucine, du nitrure de bore ou du nitrure d'aluminium, par exemple. Sur la figure 3, la face principale 16 représentée est la face avant de la cathode. L'émission d'électrons se fait par la face avant. Sur la figure 2, on représenté l'autre face principale 17 qui est la face arrière de la cathode. La cathode comporte un filament de chauffage 11, consistant en une piste conductrice réalisée par dépôt d'un matériau conducteur sur une première face du support ; il s'agit ici de la face principale 17 du support 10. Cette face principale 17 est la face arrière de la cathode. Cette piste est réalisée par un procédé physico-chimique connu. On peut, par exemple, déposer au moins une couche d'un matériau métallique par pulvérisation thermique et/ou évaporation, ou bien par bombardement ionique, généralement sous vide, à travers un masque. On peut aussi faire une attaque sélective, d'au moins une couche d'un matériau métallique, déposée au préalable sur le support. Cette attaque se fait à travers un masque, par voie chimique humide ou par voie sèche en usinage ionique. Ce matériau métallique peut être du tungstène, du molybdène ou un de leurs alliages. Le masque utilisé comportera un évidement ayant la forme que l'on veut donner au filament. Sur la figure 2 on a représenté un filament replié sur lui même et enroulé en double spirale, à spires non jointives.Cette forme permet d'atténuer le champ magnétique présent inévitablement autour de la cathode lorsqu'elle est utilisée dans un tube hyperfréquence et de ne pas perturber l'émission de la cathode lorsque le filament est alimenté en courant alternatif. Les deux extrémités de la piste conductrice se terminent chacune par un plot 12,12' conducteur. Ces plots 12, 12 permettent l'amenée du courant de chauffage. Sur la figure 2, les deux plots 12,12' sont diamétralement opposés et sont situés à la périphérie du support 10. Un élément 13 destiné à émettre des électrons lorsqu'il est chauffé est en contact thermique avec une deuxième face du support 10. Cet élément 13 émissif est fixé sur une pièce 14 intermédiaire, elle-même maintenue en contact mécanique avec la deuxième face du support 10. Ici il s'agit de la face principale 16 du support, opposée à celle supportant le filament. C'est la face avant de la cathode. La pièce 14 intermédiaire est réalisée dans un matériau réfractaire, thermiquement conducteur. L'élément émissif 13 peut être fixé par brasure, soudure ou sertissage à la pièce intermédiaire 14. Sur la figure 3, l'élément émissif 13 a la forme d'une pastille, de dimensions inférieures à celle du support 10. Il est disposé sensiblement au centre du support 10. La pièce 14 intermédiaire a la forme d'une membrane souple circulaire. Elle a sensiblement le même diamètre que l'élément émissif 13. Elle est réalisée dans un métal réfractaire tel que du molybdène ou du tantale. Son épaisseur est comprise entre 2 et 5 centièmes de millimètre. La pièce 14 intermédiaire peut être fixée par soudure au support. Les formes décrites ne sont que des exemples. On a été amené à insérer cette pièce 14 intermédiaire, thermiquement conductrice en matériau réfractaire, entre le support 10 et l'élément émissif 13, à cause de la dilatation du support qui est normalement différente de celle de l'élément émissif 13. La pièce intermédiaire 14 assure aussi un chemin thermique, entre le support 10 et l'élément émissif 13. Elle est surtout chauffée par rayonnement. De préférence, son épaisseur sera comprise entre 0,01 millimètre et 0,5 millimètre, suivant les constructions. L'élément émissif 13 est relié thermiquement au filament 11 par l'intermédiaire de la pièce 14 intermédiaire et du support 10. Dans cette construction l'élément émissif 13 est plus près du filament que dans les cathodes à chauffage indirect classiques et la masse à chauffer a été considérablement réduite. Le temps de chauffage a été réduit par rapport à celui des cathodes classiques. Pour améliorer le rendement de la cathode et réduire encore son temps de chauffage, on peut disposer comme on l'a représenté sur la figure 3, un réflecteur 15 thermique en regard du filament 11. Ce réflecteur 15 est une plaque métallique et comme un miroir sert à renvoyer une partie du rayonnement thermique provenant du filament 11 vers le support 10 isolant. En effet, en chauffant le filament 11 émet de la chaleur dans toutes les directions. Une partie de cette chaleur est émise vers l'extérieur du support 10, elle ne participe pas au chauffage de l'élément émissif 13 et est perdue. Le réflecteur thermique 15 limite les déperditions de chaleur du filament 11 par rayonnement vers l'extérieur. La figure 4 représente un autre mode de construction d'une cathode selon l'invention. Cette cathode est cylindrique. Le support 30 électriquement isolant a maintenant la forme d'un cylindre creux. Il a deux faces principales 36,37, l'une 37 externe et l'autre 36 interne. Sa face principale externe 37 comporte un filament conducteur 31. Le filament conducteur 31 consiste en une piste conductrice réalisée par dépôt d'un matériau conducteur sur la surface externe du support 30 isolant. Le filament peut être réalisé par un des procédés physico-chimiques décrits précédemment. On a représenté sur la figure 4, un filament 31 replié sur lui même et bobiné en double hélice. Deux spires successives sont séparées l'une de l'autre. Les deux extrémités de la piste se terminent chacune par un plot 32,32' conducteur permettant l'amenée du courant de chauffage. Les plots 32,32' sont situés à une première extrémité du support cylindrique 30 et sont sensiblement diamétralement opposés. Sur la figure 4, on ne peut voir qu'un seul plot 32, l'autre est caché. Une pièce 34 intermédiaire, en forme de cylindre creux, est encastrée à l'intérieur du support isolant 30. La pièce 34 intermédiaire et le support 30 sont coaxiaux. Cette pièce 34 intermédiaire est en métal réfractaire et joue le même rôle que la pièce 14 décrite à la figure 3. La pièce 34 intermédiaire a sensiblement la même hauteur que le support 30. Un bon contact mécanique est réalisé entre la pièce intermédiaire 34 et le support 30. La pièce 34 intermédiaire est en contact thermique avec la face principale 36 interne du support 30. L'élément émissif 33 est fixé sur la pièce 34 par soudure, brasage ou sertissage. L'élément émissif 33 représenté sur la figure 4 a la forme d'une pastille qui ferme une extrémité de la pièce intermédiaire 34. Elle est disposée à . une seconde extrémité du support 30 opposée à la première extrémité. L'élément émissif 33 est relié thermiquement au filament conducteur 31 par l'intermédiaire de la pièce intermédiaire 34 et du support 30. L'élément émissif 33 est relié thermiquement à la face principale interne 36 du support 30. Comme précédemment on peut placer autour du support 30, en vis à vis avec le filament 31, un réflecteur thermique 35. Le réflecteur thermique 35 est un cylindre creux monté coaxialement autour du support 30. Il renvoie une partie du flux thermique, produit par le filament 31, vers le support 30. Il limite les déperditions thermiques du filament 31, par rayonnement, vers l'extérieur. Dans les deux constructions, le matériau du support sera une céramique aussi pure que possible, à bonne diffusivité thermique et peu réactive aux matériaux du filament et de l'élément émissif. Par rapport aux cathodes à chauffage indirect classiques, la masse à porter à haute température a été réduite. On n'a plus à chauffer de matériau isolant enrobant le filament. Par ailleurs l'encombrement d'une cathode conforme à l'invention est réduit par rapport aux cathodes de l'art connu. Il en résulte que pour un même diamètre, le temps de montée en température est plus court que celui des cathodes de l'art antérieur. Le filament étant intégré au support céramique, la rigidité de la cathode est meilleure que celle des cathodes à filament plié et bobiné. La fiabilité d'une cathode selon l'invention est améliorée. Enfin, la suppression des opérations de "potting" permet de réduire d'environ de moitié le prix de revient d'une cathode selon l'invention, par rapport aux cathodes à filament noyé dans un isolant. Les deux modes de réalisation décrits ne sont que des exemples. Les formes et positions des supports, des filaments, des pièces intermédiaires et des éléments isolants peuvent être changées sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Cathode à chauffage indirect pour tube hyperfréquence à faisceau linéaire, comprenant un filament (11) conducteur destiné à chauffer un élément (13) émettant des électrons caractérisée en ce que le filament (11) consiste en une piste conductrice réalisée par dépôt d'un matériau conducteur sur une première face d'un support (10) électriquement isolant, l'élément (13) émettant des électrons étant relié thermiquement à une deuxième face du support (10) isolant. 2 - Cathode à chauffage indirect selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'élément (13) émissif est fixé sur une pièce (14) intermédiaire en matériau thermiquement conducteur et réfractaire, cette pièce (14) intermédiaire étant maintenue en contact mécanique avec la deuxième face du support (10) isolant. 3 - Cathode à chauffage indirect selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que la piste (11) conductrice comporte à chacune de ses extrémités un plot (12,12') conducteur pour l'alimentation en courant du filament. 4 - Cathode à chauffage indirect selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce qu'un réflecteur (15) thermique est disposé en regard du filament (11) pour renvoyer vers le support (10) isolant de la chaleur produite par le filament (11). 5 - Cathode à chauffage indirect selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que le support (10) isolant a la forme d'un disque ayant deux faces principales (16,17), le filament (11) étant disposé sur une des faces (17), l'élément (13) émissif étant en contact thermique avec l'autre face (16). 6 - Cathode à chauffage indirect selon la revendication 5 caractérisée en ce que le filament (11) replié sur lui-même est enroulé en double spirale, à spires séparées les unes des autres. 7 - Cathode à chauffage indirect selon l'une des revendications 5 ou 6 caractérisée en ce que l'élément (13) émissif a la forme d'une pastille. 8 - Cathode à chauffage indirect selon l'une des revendications 5 à 7 caractérisée en ce que la pièce (14) intermédiaire a la forme d'une membrane circulaire. 9 - Cathode à chauffage indirect selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que le support (30) isolant a la forme d'un cylindre creux. 10 - Cathode à chauffage indirect selon la revendication 9 caractérisée en ce que le filament (31) replié sur lui-même est enroulé en double hélice, à spires séparées les unes des autres, et est disposé sur la face externe du cylindre. 11 - Cathode à chauffage indirect selon l'une des revendications 9 ou 10 caractérisée en ce que la pièce (34) intermédiaire est un cylindre creux, sensiblement de même hauteur que le support (30) isolant, encastré coaxialement à l'intérieur du support (30) isolant. 12 - Cathode à chauffage indirect selon la revendication 11 caractérisée en ce que l'élément (33) émissif ferme une extrémité de la pièce (34) intermédiaire. 13 - Cathode à chauffage indirect selon l'une des revendications 1 à 12 caractérisée en ce que le support (10,30) isolant est en céramique aussi pure que possible, à diffusion thermique élevée. 14 - Cathode à chauffage indirect selon la revendication 13 caractérisée en ce que le support est en alumine, en glucine, en nitrure d'aluminium ou en nitrure de bore. 15 - Cathode à chauffage indirect selon l'une des revendications 1 à 14 caractérisée en ce que la piste conductrice est réalisée par pulvérisation, bombardement ionique ou attaque sélective d'un matériau métallique à travers un masque. 16 - Cathode à chauffage indirect selon la revendication 15 caractérisée en ce que le matériau métallique est du tungstène, du molybdène ou un de leurs alliages.