Brevet FR2683090A1 — publié le 19930430

CATHODE A RESERVE GT PROCEDE DE FABRICATION D'UNE TELLE CATHODE La présente invention concerne une cathode à réserve ainsi qu'un procédé de fabrication d'une telle cathode, plus particulièrement du corps poreux de cette cathode. Les cathodes à réserve mettant à profit l'effet thermo-ionique de certains matériaux sont bien connues de l'homme de l'art et sont largement utilisées dans les tubes de puissance tels que les tubes à ondes progressives, les klystrons ou similaires. Les cathodes à réserve les plus employées actuellement sont les cathodes imprégnées. Dans ce cas, l'élément cathodique est constitué par un corps poreux en métal réfractaire, plus particulièrement en tungstène ou en un mélange de tungstène avec des métaux de la mine du platine, ce corps poreux étant imprégné d'un mélange d'oxyde alcalin et/ou alcalino-terreux capable de fournir à la surface de l'élément cathodique des métaux libres alcalins ou alcalino-terreux sous l'action d'un chauffage.Le plus souvent, le corps poreux est fixé dans ou sur l'extrémité supérieure d'une jupe constituée par un corps cylindrique en un matériau réfractaire. A l'intérieur de cette jupe est monté 1 'élément de chauffage constitué par un filament réalisé en général en tungstène-rhénium recouvert d'un film isolant. Ce filament est maintenu dans la jupe par un corps d'alumine selon la technique du "potting" en langue anglaise. La fonction de la jupe est donc de fixer la position relative du corps poreux et du filament et d'assurer une convection de la chaleur sur l'élément cathodique. Pour éviter la diffusion du composé émissif contenu dans le corps poreux en direction du filament, plusieurs techniques sont utilisées. Ainsi, dans le brevet français A-2 452 018, on utilise une cloison en matériau réfractaire, notamment en molybdène, positionnée entre le corps poreux et le filament. Selon une variante de réalisation, la barrière bloquant la diffusion des composés émissifs en direction du filament peut être réalisée par le dépôt d'une brasure sur la face du corps poreux se trouvant au droit du filament. Cette brasure peut être réalisée à base de molybdène-ruthénium et elle est cuite avant l'imprégnation du corps poreux par le matériau émissif. La réalisation d'une barrière efficace nécessite un nombre d'opérations de fabrication non négligeable, ce qui a tendance à augmenter le coût de fabrication des cathodes à réserve de ce type.De ce fait, ce type de cathode est difficilement utilisable pour des applications grand public à cause d'un prix de revient peu compétitif. Toutefois, les cathodes à réserve présentent de nombreux avantages au niveau notamment de la forte densité de courant qui peut être obtenue pendant une durée de vie relativement importante. En conséquence, la présente invention a pour but de proposer une nouvelle cathode à réserve pour laquelle la barrière bloquant la diffusion du composé émissif en direction du filament soit facile à réaliser. La présente invention a aussi pour but de proposer une nouvelle cathode à réserve dont le prix de revient soit particulièrement compétitif. Ainsi la présente invention a pour objet une cathode à réserve comportant un élément chauffant et un élément cathodique constitué par un corps métallique poreux dans les pores duquel se trouve un composé émissif, caractérisée en ce que le corps poreux est constitué au moins d'une première couche à faible porosité bloquant ltémissivité et d'une seconde couche poreuse recevant le composé émissif. Pour obtenir ce résultat, la première couche est réalisée, de préférence, en un matériau présentant une granulométrie inférieure à la granulométrie du matériau de la seconde couche. D'autre part, cette première couche est réalisée en un métal choisi dans le groupe constitué par le tungstène, le nickel, le molybdène, un mélange ou un alliage à base de ces métaux, un oxyde métallique ou un mélange d'oxydes métalliques. La présente invention a encore pour objet un procédé de fabrication d'une cathode à réserve telle que décrite ci-dessus, caractérisé en ce que le corps poreux est réalisé selon les étapes suivantes - a) introduction dans une matrice de pressage du matériau constituant la première couche - b) introduction sur cette première couche du matériau constituant la seconde couche mélangée au composé émissif - c) pressage simultané de l'ensemble, et - d) frittage de manière connue de l'élément pressé afin d'obtenir l'élément cathodique. La présente invention a aussi pour objet un autre procédé de fabrication d'une cathode à réserve telle que décrite ci-dessus, caractérisé en ce que le corps poreux est réalisé selon les étapes suivantes - a) introduction dans une matrice de pressage du matériau constituant la première couche - b) introduction sur cette première couche du matériau constituant la seconde couche - c) pressage simultané de l'ensemble - d) frittage de manière connue de l'élément pressé, et - e) imprégnation du corps poreux ainsi obtenu de manière à réaliser l'élément cathodique. Selon une variante de réalisation, pour obtenir une première couche d'épaisseur sensiblement uniforme, l'étape b est précédée d'un pressage de la première couche. D'autre part, pour réaliser une barrière efficace bloquant la diffusion des composés émissifs en direction de l'élément chauffant, le matériau de la première couche est introduit dans la matrice de pressage sur une épaisseur comprise entre 0,03 et 0,1 mm. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description de divers modes de réalisation faite avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels - les figures 1A à 1E sont des vues schématiques en coupe représentant les différentes étapes de réalisation d'un corps poreux pour cathodes à réserve conformément à la présente invention - la figure 2 est une vue en coupe schématique représentant la cristallographie du corps poreux obtenu par le procédé de la présente invention, et - la figure 3 est une vue en coupe schématique d'une cathode à réserve utilisant un corps poreux conformément à la présente invention. La présente invention permet de réaliser des corps poreux en forme, c'est-à-dire des corps poreux pouvant être montés directement sur la jupe d'une cathode à réserve. Pour ce faire, on utilise une presse uni-axe représentée schématiquement sur les figures 1A à 1E. Cette presse est constituée essentiellement d'une matrice 1 percée selon son axe d'un trou 1' présentant un diamètre correspondant sensiblement à celui du corps poreux que l'on souhaite obtenir. Dans ce trou coulissent deux pistons 2,3, permettant de compacter la poudre utilisée pour la réalisation du corps poreux. Un tel dispositif est bien connu de l'homme de l'art et ne sera pas décrit plus en détail. On utilise, de plus, deux bols 4 et 5 contenant respectivement le matériau utilisé pour la seconde couche et celui utilisé pour la première couche. Un dispositif de type connu, non représenté sur les figures, assure la distribution de façon reproductible de la quantité voulue de chacun des matériaux dans le trou de la presse uni-axe. Ainsi, selon la première étape du procédé conforme à la présente invention, représentée sur la figure 1B, on verse au-dessus du piston inférieur 2 une épaisseur e du matériau contenu dans le bol 5. Ce matériau est destiné à réaliser la première couche à faible porosité. Ce matériau peut être choisi parmi les métaux du groupe constitué par le tungstène, le nickel, le molybdène, un mélange ou un alliage à base de ces métaux, un oxyde métallique ou un mélange d'oxydes métalliques. Ce matériau présente, de préférence, une granulométrie qui est à 60% en masse inférieure à 2pin. La granulométrie du matériau peut être comprise entre 0,05gus et 5CLm. D'autre part, pour que la première couche 6 de matériau à faible granulométrie puisse jouer son rôle de barrière bloquant l'émission en direction du filament, l'épaisseur e de dépôt est, de préférence, comprise entre 0,03 et 0,1 mm. Ensuite, comme représenté sur la figure 1C, pour obtenir une première couche 6 suffisamment uniforme, on réalise une première descente du piston 3 de manière à effectuer un premier pressage. Ce pressage est optionel et effectué, par exemple, sous une pression de 108N/m2 environ. Conformément à la présente invention et comme représenté sur la figure 1D, on verse au-dessus de la première couche 6 ainsi comprimée, le matériau contenu dans le bol 4 de manière à réaliser la seconde couche 7. Selon un premier mode de réalisation de la présente invention, le matériau contenu dans le bol 7 est constitué par un mélange d'un métal réfractaire support de l'émission tel que le tungstène ou un mélange à base de tungstène et d'un matériau de la mine du platine . ou tout autre matériau similaire avec le composé émissif. Le composé émissif est le plus souvent constitué par un mélange d'aluminate de baryum et de calcium. Le bol 4 peut aussi contenir d'autres composés comme cela est bien connu de l'homme de l'art, notamment des composés facilitant l'émission. Conformément à la présente invention, la granulométrie du métal support de ltémission, à savoir en général du tungstène est à 80% en poids supérieur à 2,um. Toutefois, cette granulométrie pourrait être choisie entre 0,1,ut et 251un. Ensuite de manière connue de l'homme de l'art et comme représenté sur la figure 1E, on réalise à l'aide du piston 3 le pressage de la couche 7 de manière à obtenir le corps poreux 8 représenté sur la figure 1E. Ce pressage est effectué sous une pression de 5 x 108N/m2. Une fois le pressage réalisé, on effectue sur l'élément pressé 8 un traitement thermique, à savoir un frittage sous hydrogène d'une durée de quelques dizaines de minute à une température comprise entre 1 60000 et 2 3000C. Ce traitement thermique permet d'une part la fusion du matériau émissif et d'autre part le frittage des grains du composé de granulométrie donnée. Ensuite, de manière connue, le corps 8 obtenu est nettoyé, séché puis monté sur une jupe de façon classique. Une fois les traitements décrits ci-dessus réalisés, on obtient un élément poreux 8 tel que représenté sur la figure 2. Cet élément est constitué d'une premiere couche 6 à faible porosité qui permet de bloquer l'émissivité en direction du filament comme cela sera expliqué ci-après et, sur cette première couche de très faible épaisseur, d'une seconde couche poreuse 7 dont les pores contiennent le composé émissif. Comme représenté sur les figures 2 et 3, cet élément 8 est inséré dans la partie supérieure d'une jupe cylindrique 9. Le corps poreux 8 inséré dans l'extrémité supérieure de la jupe 9 fait partie d'une cathode à réserve dont un mode de réalisation est représenté schématiquement sur la figure 3. L'extrémité supérieure de la jupe 9 se prolonge par un corps cylindrique à l'intérieur duquel est monté, en utilisant la technique connue du "potting", un filament 10. Comme on le voit clairement sur la figure 3, la partie ll en tiretés correspond à la partie représentée sur la figure 2 et l'on observe que la première couche 6 à faible porosité se trouve positionnée entre le filament 10 et la seconde couche poreuse 7 renfermant le composé émissif. Le procédé de la présente invention a été décrit en se référant au cas ou le composé émissif est mélangé au tungstène ou à un matériau similaire support de l'émission, l'ensemble étant pressé simultanément. Toutefois, il est évident que la présente invention peut s'appliquer aussi au cas où le bol 4 contient uniquement le matériau support de l'émission, à savoir principalement du tungstène ou un mélange ou alliage à base de tungstène, de manière à réaliser un élément poreux contenant la première couche 6 à faible porosité sur laquelle est réalisée une seconde couche poreuse 7, cette seconde couche poreuse étant après frittage imprégnée de manière connue avec le composé émissif. On décrira ci-apres un exemple pratique de réalisation du corps poreux 8 de la figure 2. Au cours d'une réalisation pratique, nous avons pressé une pastille de diamètre 1,6mm et de hauteur 0,8mm. La partie inférieure est constituée d'une couche d'environ 0, lmm de tungstène de granulométrie fine selon le procédé décrit plus haut et la partie supérieure d'un mélange d'aluminate de calcium de baryum 4-1-1 a 20% en masse dans une souche de tungstène de granulométrie adaptée. L'ensemble est porté à 2 0000C environ pour réaliser le process de frittage-fusion décrit ci-dessus. Une telle pastille a pu être montée directement sur une jupe (9) sans autre process de nettoyage, dépôt ou usinage. REVENDICATIONS 1. Cathode a réserve comportant un élément chauffant et un élément cathodique constitué par un corps métallique poreux dans les pores duquel se trouve un composé émissif, caractérisée en ce que le corps poreux est constitué au moins d'une première couche (6) a faible porosité bloquant l'émissivité et d'une seconde couche (7) poreuse recevant le composé émissif. 2. Cathode selon la revendication 1, caractérisée en ce que la premiere couche (6) est réalisée en un matériau présentant une granulométrie inférieure à la granulométrie du matériau de la seconde couche (7). 3. Cathode selon les revendications I et 2, caractérisée en ce que la première couche est réalisée en un métal choisi dans le groupe constitué par le tungstène, le nickel, le molybdène, un mélange ou un alliage à base de ces métaux, un oxyde métallique ou un mélange d'oxydes métalliques. 4. Procédé de fabrication d'une cathode selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le corps poreux est réalisé selon les étapes suivantes - a) introduction dans une matrice de pressage du matériau constituant la première couche - b) introduction sur cette première couche du matériau constituant la seconde couche mélangée au composé émissif - c) pressage simultané de l'ensemble, et - d) frittage de manière connue de l'élément pressé afin d'obtenir l'élément cathodique. 5. Procédé de fabrication d'une cathode selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le corps poreux est réalisé selon les étapes suivantes - a) introduction dans une matrice de pressage du matériau constituant la première couche - b) introduction sur cette première couche du matériau constituant la seconde couche - c) pressage simultané de l'ensemble; - d) frittage de manière connue de l'élément pressé, et - e) imprégnation du corps poreux ainsi obtenu de manière à réaliser l'élément cathodique. 6. Procédé selon les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que l'étape b est précédée d'un pressage de la première couche. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le matériau de la première couche est introduit dans la matrice de pressage sur une épaisseur comprise entre 0,03 et 0,1 mm.