Brevet FR2672156A1 — publié le 19920731

La présente invention concerne l'électronique et a notamment pour objet un ensemble d'une cathode pour dispositifs à faisceau d'électrons. La présente invention peut être utilisée avec succès dans l'industrie électronique pour la fabrication de tubes de télévision, d'oscillographe, indicateurs, radioscopiques et autres tubes cathodiques, ainsi que dans d'autres dispositifs à faisceau d'électrons où il faut obtenir une haute densité du courant électronique dans le faisceau tout en préservant une haute résolution et une longue durée de vie, un court temps de préparation au fonctionnement et une faible puissance consommée. L'ensemble de la cathode thermo-électronique, étant la partie essentielle des dispositifs modernes à faisceau d'électrons, définit les indices qualitatifs de leur fonctionnement : brillance, résolution, durée de vie, fiabilité, puissance consommée, temps de préparation au fonctionnement et ainsi de suite. A l'heure actuelle, dans les dispositifs à faisceau d'électrons, on utilise largement, en tant que sources d'électrons, des ensembles de cathode avec des cathodes à oxydes à chauffage indirect dont l'émissivité est limitéé et ne permet pas d'obtenir, en mode continu, une densité du courant supérieure aux unités d'A/cm ,ce qui est parfois insuffisant pour assurer les meilleures performances des appareils cathodiques. Ainsi, par exemple, pour assurer une brillance suffisante des tubes cathodiques récepteurs, il faut de hautes valeurs de densité du courant des électrons émis par les cathodes oxydées ce qui diminue leur durée d'utilisation et en conséquence celui des appareils. Outre cela, les cathodes oxydées sont caractérisées par leur inertie, c'est-à-dire que, pour les mettre en régime de service thermique, il faut un certain temps ce qui parfois est le facteur déterminant lors de l'utilisation de dispositifs comportant de telles cathodes. Ces particularités des cathodes oxydées ont déterminé la tendance du développement de l'électronique cathodique qui consiste à utiliser des cathodes thermo-électroniques avec émetteurs efficaces à émission thermo-électronique à base de métaux actifs du point de vue de l'émission et de leurs alliages. Outre leur rapidité élevée, ces cathodes assurent des densités de courant électronique et des durées d'utilisation plus importantes que celles des cathodes oxydées. Cependant, le développement poussé de la structure des ensembles à cathodes thermo-électroniques reste empêché par les exigences contradictoires de la fiabilité accrue et de la faible puissance consommée.Ainsi, le problème de la création d'un ensemble pour le chauffage d'une cathode permettant de satisfaire aux exigences de la fiabilité et de l'efficacité est très actuel pour la fabrication de dispositifs à faisceau d'électrons. Un autre problème actuel est l'obtention simultanée de l'image et du son lors de la mise en marche des postes de télévision, lequel problème peut être résolu par l'utilisation de cathodes à chauffage direct. Il existe une structure très simple d'un ensemble de chauffage d'une cathode ("Funk-Technik", 33, n" 1, 1978, S.F. & E, p. 1-6, K.M. Tischer "Einige Probleme direct geheizter Kathoden fur Fernseh-Bildrohren) dans lequel un élément de chauffage a la forme d'un tronçon rectiligne d'un ruban métallique au centre duquel est fixé un émetteur thermo-électronique et dont les extrémités sont reliées à des barres conductrices. A la mise sous tension d'une telle cathode, le courant de chauffage qui chauffe le ruban métallique mince provoque son gauchissement, son gonflement, la dégradation de ses propriétés élastiques, ce qui fait que l'émetteur est soumis à un déplacement non contrôlable par rapport à l'axe électro-optique du dispositif dans lequel il est monté. Par conséquent, la haute fiabilité et la répétivité des paramètres techniques ne sont plus assurées. L'introduction de différents moyens tendeurs de l'élément de chauffage, destinés à compenser sa dilatation, ne résout pas le problème pas suite de la sophistication de la structure et de la perte progressive de l'élasticité. Outre cela, les moyens tendeurs des éléments de chauffage entraînent l'apparition d'un effet "microphonique" quand l'élément de chauffage commence à vibrer par suite des actions mécaniques sur l'ensemble de la cathode. Il existe une cathode thermo-électronique utilisée en tant que source d'électrons (US, A, 4193013) qui comporte un émeteur thermo-électronique se présentant sous la forme d'une barre en hexaborure de lanthane fixée dans la partie centrale de l'élément de chauffage en graphite en forme d'arc. Les extrémités de l'élément de chauffage sont reliées à des barres conductrices qui sont montées sur une base. Une telle structure est caractérisée par une haute consommation d'énergie électrique (de l'ordre de 8 W) pour chauffer l'élément de chauffage ce qui est dû à la grande surface de sa section transversale, nécessaire pour éviter le déplacement de l'émetteur chaud par rapport à sa position initiale. Il existe également un ensemble d'une cathode thermo-électronique pour des dispositifs à faisceau d'électrons (EPB,0207772) qui comporte un émetteur thermo-électronique à axe géométrique longitudinal fixé aux parties centrales d'au moins deux éléments filiformes de chauffage dont les tronçons périphériques ont des longueurs égales et sont fixés par leurs extrémités à des barres conductrices rigidement fixées à une base. Dans l'ensemble de la cathode thermo-électronique connue, deux éléments de chauffage sont utilisés dont les tronçons périphériques sont parallèle à l'axe de l'émetteur. Une telle structure de l'ensemble de la cathode à chauffage direct est caractérisée par une faible fiabilité due à la perte de la forme lors du chauffage des éléments en fil. Dans ce cas, la position de l'émetteur par rapport à l'axe électrono-optique du dispositif où cet ensemble est installé change pendant l'utilisation. C'est pourquoi la fiabilité d'un tel ensemble est définie plutôt par celle de la conservation de sa position initiale que par les propriétés de l'émetteur lui-même. La présente invention a pour but de créer un ensemble d'une cathode thermo-électronique pour des dispositifs à faisceau électronique avec une disposition des éléments de chauffage en fil permettant de préserver la stabilité de la forme de la structure, permettant en même temps d'augmenter la fiabilité du fonctionnement. Le problème est résolu du fait que dans l'ensemble d'une cathode thermo-électronique pour des dispositifs à faisceau d'électrons qui comporte un émetteur thermo-électronique à axe géométrique longitudinal fixé aux parties centrales d'au moins deux éléments de chauffage en fil, dont les tronçons périphériques ont des longueurs égales et dont les extrémités sont fixées à des barres conductrices rigidement liées à une base, selon l'invention, les tronçons périphériques des éléments de chauffage en fil sont placés sous un angle aigu par rapport à l'axe géométrique longitudinal de l'émetteur thermo-électronique et leurs extrémités se trouvent aux sommets d'un polygone à deux axes de symétrie réciproquement perpendiculaires, dont l'un passe par les axes des barres conductrices et le point de leur croisement se trouve sur l'axe géométrique longitudinal de l'émetteur thermo-électronique. il est utile de munir l'ensemble de la cathode thermo-électronlque pour des dispos4tf; à faisceau d'électrons de deux groupes de supports dont chacun comporte un nombre de supports qui est égal à celui des éléments de chauffage en fil et ques les premières extrémités des supports soient raccordées aux extrémités des tronçons périphériques des éléments de chauffage en fil, les autres extrémités de ces supports étant en liaison rigide avec l'une des barres d'amenée de courant alors que les supports des groupes sont symétriques par rapport au plan passant par l'axe géométrique longitudinal de l'émetteur thermo-électronique et l'axe de symétrie du polygone perpendiculaire à l'axe de symétrie passant par les axes des barres conductrices d'amenée de courant. Il est souhaitable que les supports soient faits en un matériau électroconducteur d'une résistivité supérieure à celle du matériau des éléments ce chauffage en fil et que le rapport des surfaces de la section transversale de chaque support et de l'élément de chauffage en fil soit au moins égal au rapport de leurs résistivités. il est bon que la longueur de chaque support soit déterminée à l'aide de la formule dans laquelle est la longueur du tronçon périphérique de l'élément de chauffage en fil est la longueur du support ; T1 est la température de fusion du matériau de l'élément de chauffage en fil T2 est la température de fusion du matériau du support. Il est souhaitable que chaque support soit arqué. L'ensemble de la cathode thermo-électronique pour dispositif à faisceau d'électrons selon l'invention est caractérisé par une haute fiabilité pendant toute la période de son utilisation. La stabilité de la forme de la structure est l'un des facteurs de la fiabilité de fonctionnement de l'ensemble et elle est obtenue par la disposition géométrique choisie des éléments de chauffage en fil. L'utilisation des supports en matériaux de haute résistivité augmente également la stabilité de la forme et aide au dégagement de la chaleur en réduisant le gradient thermique au passage des barres d'amenée de courant "froides" aux éléments "chauds" de chauffage ce qui diminue l'évacuation de la chaleur de l'émetteur thermo-électronique vers les barres d'amenée de courant. Ainsi, l'ensemble de la cathode thermo-électronique selon l'invention est caractérisé d'une part par une forte rigidité mécanique, par une forte stabilité thermique et d'autre part par une faible consommation d'énergie et une rapide mise en régime thermique de service. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaitront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lequels - la figure 1 représente une vue générale d'un ensemble d'une cathode thermo-électronique pour des dispositifs à faisceau d'électrons, selon l'invention - la figure 2 représente une vue identique à la figure 1, mais en plan - la figure 3 représente une vue identique à la figure 1, avec quatre supports de forme rectiligne, en axonométrie - la figure 4 représente une vue identique à la figure 3, avec trois éléments de chauffage en fil et six supports de forme rectiligne, en axonométrie - la figure 5 est une vue identique à la figure 3, avec des supports arqués, en vue en plan, selon l'invention ; et - la figure 6 montre la courbe de répartition de la température suivant la longueur des supports et des éléments de chauffage en fil. L'ensemble de la cathode thermo-électronique pour des dispositifs à faisceau d'électrons comporte un émetteur thermo-électronique 1 que l'on peut voir à la figure 1 ayant un axe géométrique longitudinal 2 et qui est fixé aux parties centrales 3 (traditionnellement représentées par un pointillé) de deux éléments de chauffage en fil 4, au moins. Dans la version décrite, deux éléments de chauffage 4 sont prévus dont les tronçons périphériques 5 ont des longueurs 1 qui sont égales et ils sont placés sous un même angle aiguWpar rapport à l'axe géométrique longitudinal 2 de l'émetteur thermo-électronique 1. Les extrémités des tronçons périphériques 5 sont fixées, en étant par exemple soudées par résistance, à des barres d'amenée de courant 6 lesquelles sont rigidement fixées à une base 7 en un matériau électro-isolant, par exemple, en céramique. Une telle disposition des éléments de chauffage 4 forme une sorte de carcasse d'une pyramide à quatre pans, structure rigide assurant la stabilité de la forme et la constance de la position de l'émetteur 1 pendant le chauffage et l'utilisation. La valeur du déplacement de l'émetteur 1 dans le sens de l'axe 2, du fait de la chaleur, est toujours constante et peut facilement être calculée pour une structure concrète et par conséquent être prise en considération dans le cas de la disposition précise de l'émetteur 1 dans un dispositif à faisceau d'électrons. Les bouts des tronçons périphériques 5 se trouvent dans un plan perpendiculaire à l'axe géométrique 2, aux sommets d'un polygone (quadrilatère dans la variante décrite) ayant deux axes de symétrie 8 et 9 réciproquement perpendiculaires, comme on peut le voir à la figure 2, dont l'un passe par les axes des barres d'amenée de courant 6 et leur point de croisement se trouve sur l'axe géométrique 2 de la figure 1. L'augmentation du nombre d'éléments de chauffage 4 augmente la stabilité de la forme et par conséquent la fiabilité mais complique la structure. C'est pourquoi il est raisonnable de limiter le nombre d'éléments de chauffage 4 à deux ou trois. Les éléments de chauffage 4 sont réalisés en un matériau réfractaire, par exemple, en un fil de tungstène et l'émetteur thermo-électronique 1 est fait en borures d'un métal de terres rares, par exemple en LaB6. Pour augmenter encore la rigidité de la structure et l'efficacité du fonctionnement de l'ensemble de la cathode thermo-électronique, cet ensemble est muni de supports 10, que l'on peut voir à la figure 3, qui portent les éléments de chauffage 4. Les supports 10 sont en un matériau électroconducteur de haute résistivité, supérieure à celle du matériau des éléments de chauffage 4, par exemple, en un alliage comme nickel-chrome, nickel-tungstène-zirconium et autres. Les supports 10 sont réunis en deux groupes dont chacun contient un nombre de supports égal à celui des éléments de chauffage 4 et les premières de leurs extrémités sont reliées aux extrémités des tronçons périphériques 5 des éléments de chauffage 4 alors que leurs autres extrémités sont rigidement reliées à l'une des barres conductrices 6. Dans ce cas, les supports 10 d'un groupe et les supports 10 de l'autre groupe sont placés symétriquement par rapport au plan passant par l'axe géométrique 2 de l'émetteur 1 et l'axe 8 ou 9 de symétrie du polygone (dans la variante décrite, par l'axe 8), perpendiculaire à l'axe 9 ou 8 passant par les axes des barres d'amenée de courant 6. Les supports 10 de la version décrite ont la forme de tronçons rectilignes d'un conducteur reliant les extrémités des tronçons périphériques 5 des éléments de chauffage 4 aux barres 6 d'amenée de courant. L'autre version d'exécution de l'ensemble de la cathode thermo-électronique, que l'on peut voir à la figure 4, comporte trois éléments de chauffage 4 et, respectivement, six supports 10 disposés radialement par rapport aux barres conductrices 6. Une telle structure de l'ensemble de la cathode est identique à la carcasse d'une pyramide à six pans dont les arêtes sont les tronçons périphériques 5 des éléments de chauffage 4. Il existe une version d'exécution de l'ensemble de la cathode thermo-électronique où les supports 10 sont de forme arquée comme on peut le voir à la figure 5. Cela favorise la stabilisation supplémentaire de la position de l'émetteur 1 pendant le chauffage car la dilatation (allongement) des supports 10 n'est pas transmise à travers les arêtes de la carcasse pyramidale vers l'émetteur 1 et se ramène à leur déplacement suivant la génératrice du cône décrit autour de la pyramide ce qui, comme on le sait, n'entrante pas un déplacement du sommet de la pyramide où se trouve fixé l'émetteur 1. L'utilisation des supports 10 que l'on peut voir aux figures 3 à 5, indépendamment de leurs forme et disposition, permet d'employer des éléments de chauffage 4 de moindres longueur et surface de la section transversale. Les surfaces en section transversale des supports 10 et des éléments de chauffage 4 sont choisies en fonction de leurs résistivités. On sait que les pertes minimales de chaleur par l'élément de chauffage 4 vers les barres conductrices 6 ont lieu dans le cas d'un dégagement d'une valeur constante de puissance le long du réchauffeur combiné constitué des deux supports 10 et de l'élément de chauffage 4 lui-même.Cette condition est remplie si la résistance électrique est constante pour une unité de la longueur du réchauffeur combiné ce qui, dans la version examinée, signifie pratiquement une égalité des rapports des sections transversales des supports 10 et des éléments de chauffage 4 et des rapports de leurs résistivités, ou un certain dépassement de cette valeur. Le choix du rapport optimal des longueurs #2 du tronçon périphérique 5 de l'élément de chauffage 4 et du support 10 se fait en tenant compte des températures T1, T2 de fusion du matériau de l'élément de chauffage 4 et de celui du support 10. Il est évident qu'il est possible d'augmenter la longueur2 du support 10 jusqu'a ce que la température au point de sa connexion à l'élément de chauffage 4 ne dépasse pas T2. On tient alors compte de la nécessité de préserver la constance de la résistance électrique par unité de longueur du réchauffeur combiné lorsque le dégagement de la chaleur est également constant.Les pertes thermique Ph dues à la conduction thermique à tout point du réchauffeur combiné sont déterminées par l'éloignement de ce point de l'endroit de fixation des supports 10 sur les barres conductrices massives 6 (l'origine des coordonnées x = 0 correspond à l'une des barres 6) et peuvent s'exprimer par la dépendance suivante: dans laquelle P. est la puissance calorifique dégagée = 2( t1 + 22) (on peut négliger la longueur de la partie centrale 3 de l'élément de chauffage 4 vu sa valeur insignifiante). La température établie T en tout point du réchauffeur combiné, sous ces conditions, est inversement proportionnelle aux pertes de chaleur, ctest-à-dire que où k est le coefficient de proportionnalité. Le rapport k/P- est déterminé à partir de la considération d'égalité de la température T(x) au centre de l'élément de chauffage 4 autrement dit à x = 2/2 et de la température de service To de l'élément chaud 1 d'où k/P. To4/ . i o Ainsi l'expression finale pour T(x) a la forme Cette relation exprime l'équilibre dynamique établi dans le réchauffeur combiné entre la puissance calorifique dégagée et ses pertes dues à la conduction thermique. Sur la figure 6 est représentée une courbe de la répartition de la température suivant la longueur du réchauffeur combiné (supports 10 et éléments de chauffage 4). La température sur les barres conductrices 6 est traditionnellement considérée égale à 0. La coordonnée du point de connexion des supports 10 aux extrémités des tronçons périphériques 5 des éléments de chauffage 4 peut être déterminée à partir de la condition limite à laquelle, à ce point, la valeur courante de la température T(x) est égale à T2 ,alors qu'au centre de l'élément de chauffage 4, T0 = T En en tenant compte Ainsi, le point optimal de connexion de l'élément de chauffage 4 au support 10, c'est-à-dire la longueur ,est symétrique par rapport au centre de l'élément de chauffage 4 à la distance Le rapport optimal recherché de la longueur 2 du support 10 à la longueur 2 1 du tronçon périphérique 5 de l'élément de chauffage 4 est déterminé à l'aide de l'expression suivante d'où on peut déterminer la longueur e2 des supports 10 L'augmentation de la longueur Q2 des supports 10 par rapport à la valeur optimale peut entraîneur un ramollissement ou une fusion de supports 10 au point de leur connexion aux éléments de chauffage 4. La diminution de la longueur 22 des supports 10 par rapport à la valeur optimale n'est pas rationnelle par suite de la dégradation de la stabilité de la forme et de l'augmentation des pertes thermiques dues au raccourcissement des support 10. L'ensemble de la cathode thermo-électronique pour dispositifs à faisceau d'électrons fonctionne de la façon suivante. Lors de l'application d'une tension aux barres conductrices 6 que l'on peut voir aux figures 1 et 2, les éléments de chauffage 4 se chauffent en portant l'émetteur thermo-électronique 1 à la température de service T . L'émetteur 1 commence à émettre des électrons pour former un faisceau d'électrons dans l'appareil cathodique où est placé l'ensemble de la cathode. L'ensemble de la cathode thermo-électronique ayant la structure décrite est à action très rapide. Le temps de sa préparation est de l'ordre de 1 seconde par suite des faibles longueur et épaisseur des éléments 4 de chauffage. Les ensembles de cathode thermo-électronique représentés sur les figures 3 à 5 fonctionnent essentiellement d'une façon identique. La différence réside dans le fait qu'à l'application de la tension aux barres conductrices 6, dont la température est de l'ordre de 100 C, les bouts des supports 10 aux endroits de leur connexion à l'élément de chauffage 4 chauffent à 7000C environ alors que les éléments de chauffage 4 portent l'émetteur à une température de service de 1400C environ, à laquelle a lieu l'émission thermo-électronique. Ainsi, l'introduction des supports 10 diminue le gradient thermique au passage des éléments de chauffage 4 aux barres 6 ainsi que les pertes thermiques, ce qui augmente l'efficacité du fonctionnement de l'ensemble de la cathode thermo-électronique. L'ensemble de la cathode thermo-électronique selon l'invention, grâce à la disposition géométrique ci-dessus décrite des éléments de chauffage en fil et grâce à l'introduction des supports de longueur et section transversale déterminées formant une structure rigide ayant une forme stable aux hautes températures de service, présente une haute fiabilité et une haute efficacité de fonctionnement. REVENDICATIONS I . Ensemble d'une cathode thermo-electronique pour des dispositifs à faisceau d'électrons qui comporte un émetteur thermo-électronique dont l'axe géométrique longitudinal est fixé aux parties centrales d'au moins deux éléments de chauffage en fil, dont les tronçons périphériques ont des longueurs égales et sont foxés par leurs extrémités à des barres d'amenee de courant cui sont rigidement reliées à une base, caractérisé en ce que les tronçons périphériques (5) des éléments de chauffage e fil (4) sont placés sous un angle aigu (d~ ) par rapport à l'axe géométrique longitudinal (2) de l'émetteur thermo-électronique (1) et leurs extrémités sont placées aux sommets d'un polygone à deux axes de symétrie (8, 9) réciproquement perpendiculares, dont ''un passe par les axes des barres conductrices (6), le point de croisement de ces axes se trouvant sur l'axe géométrique longutidinal (2) de l'émetteur thermo-électronique (1). 2. Ensemble selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'Il comporte ceux groupes de supports (10) dort chacun content des supports (10) en un nombre égal au nombre d'éléments de chauffage en fil (li) et en ce que les premières des extrémités des supports (10) sont reliées aux extrémités des tronçons périphériques (5) des éléments de chauffage en fil (4) et les autres extrémités des supports sont rigidement reliées à l'une des barres conductrices (6), les supports (10) des deux groupes étant placés symétriquement par rapport au plan passant par l'axe géométrique longitudinal (2) de l'émetteur thermo-électronique (1) et l'axe (8 ou 9) de symétrie du polygone perpendiculaire à l'axe de symétrie (8, 9) passant par les axes des barres conductrices (6). 3. Ensemble selon la revendication 2, caractérisé en ce que les supports (10) sont fabriqués en un matériau électroconducteur d'une résistivité supérieure à celle du matériau des éléments de chauffage en fil (4), le rapport des surfaces en section transversale de chaque support (10) et de l'élément de chauffage en fil (4) étant égal au moins au rapport de leurs résistivités. 4. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la longueur2) de chaque support (10) est déterminée à l'aide de la formule où 11 est la longueur du tronçon périphérique de l'élément de chauffage en fil T1 est la température de fusion du matériau de l'élément de chauffage en fil (4) T2 est la température de fusion du matériau du support (10). 5. Ensemble d'une cathode thermo-électronique selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que chaque support (10) est en forme d'arc.