Brevet FR2681726A1 — publié le 19930326

POTTING ISOLANT POUR CATHODES A CHAUFFAGE INI}fRlCT La présente invention concerne un procédé de fabrication de potting isolant pour cathodes à chauffage indirect et une cathode obtenue par ce procédé. I1invention concerne principalement les cathodes imprégnées mais peut également être utilisée pour des cathodes à oxydes ou toute autre cathode à chauffage indirect. Elle trouve une application pour tubes électroniques et plus particulièrement des tubes électroniques qui doivent résister à des chocs et vibrations lors de leur montage, de leur transport ou de leur utilisation. Une cathode pour tube électronique est généralement chauffée lors de son fonctionnement pour augmenter l'énergie des électrons de la cathode (par rapport au travail de sortie des électrons à la surface de la cathode), permettant d'obtenir des courants électroniques importants avec des hautes tensions modérées. Les températures utilisées sont de l'ordre de 10500 C à la surface émissive. La cathode peut être chauffée soit directement par un courant circulant dans la cathode elle-même, soit indirectement pour un courant circulant dans un filament de chauffage à proximité de la partie émissive de Ia cathode. Dans ce dernier cas, l'espace entre le filament et la partie émissive de la cathode est généralement remplie d'un matériau isolant électriquement et ayant une bonne conductivité thermique et une certaine stabilité mécanique.Ce matériau est connu de l'homme de l'art sous le nom "potting", aussi hion en français quten anglais. Le potting ayant les qualités mentionnées ci-dessus est donc destiné à remplir plusieurs fonctions : le transfert thermique de la chaleur générée dans le filament vers la partie émissive de la cathode ; le positionnement et la tenue mécanique du filament par rapport avec la partie émissive de la cathode et, accessoirement, l'isolement électrique entre le filament de chauffage et la cathode elle-même. La figure 1 montre une configuration typique de montage de cathode imprégnée selon l'art antérieur avec son filament de chauffage I, en tungstène ou en alliage de tungstène et de rhénium, place derrière une pastille émissive 2 en tungstène poreux imprégnée d'un mélange d'oxydes émissifs. La pastille émissive 2 est insérée et sertie, éventt'ellement à l'aide d'une bague de sertissage 4, dans une jupe 3 en molybdène qui est assez longue (selon l'axe de la cathode) pour contenir les spires du filament enroulé 1. Dans la figure I, le filament 1 est un filament bispiral autour de l'axe Z de la cathode, une configuration qui permet d'annuler l'ind11etion magnétique due à la circulation du courant dans le filament. Selon l'art antérieur, le filament 1 ost placé dans la jupe 3 et immobilisé par un potting réalise avec de la poudre d'alumine 5 qui est d'abord tassée entre la jupe 3, le filament 1 et la pastille émissive 2 ; et puis ensuite frittée sous atmosphère d'hydrogène à haute température (typiquement 18500C). Pour pallier à la différence de la dilatation thermique entre la jupe 3 en molybdène et l'alumine frittée 5, il est connu d'utiliser un mélange de poudres d'alumine de granulométries différentes, de façon à minimiser le retreint au moment du frittage. Il est également connu dans l'art antérieur d'ajouter au mélange de poudres d'alumine un matériau1 fondant, par exemple Y203 ou Zoo2 qui a pour effet d'abaissez la température de frittage à une température plus modérée (1700-1750 C suivant la concentration du fondant). Ce procédé de potting selon l'art antérieur peut donner des résultats satisfaisants parfois, mais son implantation industrielle est entravée par de mawlvais rendements de fabrication et une mauvaise reproductibilité de résultats. En effet, la température de frittage est critique car une température trop élevée crée trop de retreint et le potting se décolle ; en revanche, une température trop faible donne un frittage incomplet et l'ensemble se désagrège. Dans le premier cas, le transfert thermique entre le filament 1 et la pastille émissive 2 est mauvais ; dans le second cas, la tenue mécanique de l'ensemble est aléatoire et peut se relever insuffisante lors des opérations de montage du tube électronique, lors de son transport ou lors de son utilisation dans un équipement. Or, la température optimale de frittage, paramètre critique, dépend des granulométries et clo le1lrs proportions dans le mélange de poudres d'alumine, par ï'ne relation qui est mal maîtrisée pour l'exploitation industrielle. Le but de l'invention est de pallier axls inconvénients des procédés de potting connus de l'art antérieur. L'utilisation du procédé selon l'invention ou de l'une de ses variantes permettra de rendre la température de frittage moins critique pour le résultat final du procédé, et permettra au potting ainsi réaIisé de remplir ses fonctions de transfert thermique et de tenue mécanique de façon plus maîtrisée et reproductible dans une exploitation industrielle, que celui de l'art antérieur. L'utilisation du procédé selon l'invention permettra ainsi d'augmenter les rendements de fabrication et la fiabilité des produits finaux, à savoir les tubes électroniques comportant une cathode réalisée selon le procédé de l'invention. A ces fins, l'invention propose un procédé de fabrication du potting de filament de chauffage pour une cathode à chauffage indirect selon lequel une pastille émissive 2 est insérée dans une jupe 3 à l'arrière de InqiieNe le filament est placé et entoure par un mélange 5 de poudres d'alumine comme dans l'art antérieur ; caractérisé en co que la jupe 3 est ensuite fermée, en son extrémité éloignée de la pastille émissive 2, par une pastiUe d'alumine 7 pressée à partir de gros grains et auparavant préfrittée ou un pastille d'alumine déjà frittée ; I'ensemble est ensuite cofritte à une température modérée (17500 C environ). Selon une variante, le bord de la pastille d'alumine 7 est munie d'un dépôt métallique de manière à permettre d'effectuer un brasage entre cette pastille et la jupe 3 en molybdène. Cette métallisation peut être, par exemple, un compose MoMn, Pal-Co, ou similaire. Selon une caractéristique, le diamètre de la pastille d'alumine 7 est sensiblement égal au diamètre intérieur de la jupe 3 en mobybdène, et la pastille 7 est insérée dans l'extrémité de la jupe 3 pour la fermer avec le potting 5 dedans. Selon une autre caractéristique, le diamètre de la pastille 7 d'alumine est plus grand que le diamètre de la jupe 3 en molybdène, et la pastille d'alumine 7 cornporte tm rebord Il sur sa circonférence, dont le diamètre interieiir est sensiblement égal au diamètre extérieur de la jupe 3 en molybdène, la pastille d'alumine 7 venant renfermer le potting 5 à l'intérieur de la jupe 3 par I'extérieur de celle-ci. Selon une autre caractéristique de l'invention, le mélange 5 de poudres d'aluminates de granulométries différentes est additionné de grains d'un matériau fondant. Quand l'ensemble est ensuite cofritté, le fondant agit comme liant pour éviter le désagrègement du potting, et comme surfactant pour minimiser le retreint et pour éviter que le potting ne se décolle des parois de la jupe 3 ou de la pastille émissive 2. Ce fondant peut être, par exemple, de l'oxyde d'yttrium, de l'oxyde de silicium, de l'oxyde de zirconium, ou similaire. L'invention a également pour but une cathode réalisée par le procédé de l'invention ou par l'une de ses variantes. Dans toutes les réalisations de cathodes selon l'invention ou ses variantes, les qualités requises e n potting réussi sont plus facilement obtenues que dans l'art antérieur, donc les rendements de fabrication sont augment tés et les coûts de fabrication sont moins élevés pour un produit final de qualité ou supérieur à celui de l'art antérie11r. La température de frittage est moins critique pour la réussite du potting que dans l'art antérieur. Finalement, la fiabilité moyenne du produit final incorporant une cathode réalisée selon l'invention ou ses variantes devrait être améliorée par rapport à l'art antérieur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux comprises à I'aide des Figures ci-annexées, représentant des exemples non limitatifs cie réalisations, sur lesquelles les mêmes repères désignent les mêmes éléments sur les différentes figures.D'autres procédes et réalisations selon l'invention ou ses principales caractéristiques seront facilement imaginées par l'homme de l',t rt . Parmi les dessins annexés - Ia figure 1, déjà mentionnée, represente schématiquement et en coupe axiale un exemple d'une cathode selon l'art antérieur, sans pastille d'alumine - la figure 2 représente schématiquement et en coupe axiale un exemple typique de réalisation d'une cathode selon le procédé de l'invention, avec sa pastille d'alumine - la figure 3 représente schématiqueTnent et en coupe axiale un autre exemple de réalisation d'une cathode selon le procédé de l'invention, avec sa pastille d'alumine métallisée sur le pourtour pour permettre le brasage entre la pastille et la jupe - la figure 4 représente schématiq11ement et en coupe axiale un autre exemple de réalisation d'une cathode selon le procédé de l'invention, avec une pastille d'alutnirlo ,7.$;mt un diamètre plus large que le diamètre de la jupe, et ayant un rebord autour de sa circonférence et une métallisation à l'intérieur de ce rebord pour permettre le brasage sur ia jupe. Sur la figure 1, on voit un exemple typique d'une cathode imprégnée qui consiste en un corps contlucteur et poreux 2 imprégné d'une matière émissive d'électrons. La cathode est généralement portée à une haute tension négative et chauffée à haute température elle libère des électrons de la surface émissive 6, qui sont accélérés par les champs électrostatiques environnants. La cathode a une forme particulière suivant l'application ; dans le cas de la figure t elle a la forme d'une pastille avec une surface émissive 6 concave ; elle a aussi un axe de symétrie de révolution qui est indiqué sur la figure par le repère Z. La surface émissive 6 se trouve sur la face avant de la cathode, et le filament de chauffage 1 se trouve derrière la pastille 2. La pastille émissive 2 est montéo dans une jupe 3 en molybdène, par exemple, et tenue en place par une bague de sertissage 4 dans l'exemple de la figure 1. T'a jupe 3 a la forme d'un cylindre creux ayant deux extrémittzs; dans l'une des extrémités la pastille émissive 2 est montée, et l'autre extrémité recevra le filament de chauffage I et le potting 5. Dans le procédé de fabrication de l'art antérieur, après montage de la pastille émissive 2 dans 19 jupe 3, le filament 1 est inséré dans le creux de la jupe 3 a l'arrière de la pastille émissive 2. Un mélange 5 de poudres d'a1xlrnine de gramulométries différentes est préparé, et introduit dans le creux par petit quantité en l'entraînant par un liquide de préférence volatile (par exemple alcool, acétone,...). La poudre mélangée 5 est tassée à l'aide d'une petite baguette en bois ou en alumine, de façon à ne laisser aucun espace vide entre les tours du filament 1 et les parois de la jupe 3 et la face arrière de la pastille émissive 2.Après évaporation du liquide d'entraînement, l'ensemble est placé dans un four sous hydrogène pour fritter la poudre 5 à haute température, typiqiJement 18500 C. Après frittage, le potting 5 obtenu selon le procédé connu doit être une masse poreux mais solidaire qili remplit complètement l'espace entre le filament 1, la pastille émissive 2 et la jupe 3, de façon à assurer le transfert thermique optimal et la tenue mécanique du filament 1 dans le creux de la jupe 3. Les extrémités 8 du filament de cliaiifge 2 sortent de l'arrière de la cathode assemblée polir permettre leur raccordement à une source de courant électrique. La figure 2 montre un exemple d'une cathode réalisée selon le procédé de l'invention. Dans le proc'd6 selon l'invention, la pastille émissive 2 est insérée dans la jupe 3, le filament 1 est positionné à l'arrière de la pastille émissive 2, et le mélange 5 de poudres d'alumine de granulométries différentes est introduite dans le creux de la jupe .3 comme dans l'art antérieur. Selon l'invention, une pastille céramique 7 est préparée par pressage et frittage de grains d'alumine d'une granulométrie grossière. Des passages 9 sont prévus pour les extrémités 8 du filament de chauffage.Dans l'exemple de réalisation selon l'invention de la figure 2, le diamètre de la pastille céramique 7 est sensiblement égal au diamètre intérieur de la jupe 3, et la pastille céramique d'alumine est insérée dans l'extrémité de la jupe 3 renfermant le mélange 5 de poudres d'alumine de granulométries différentes qui remplir entièrement I'espace dans le creux de la jupe 3 entre la face arrière de la pastille émissive 2 et la pastille céramique 7. L'ensemble est ensuite cofrittée sous hydrogène. La température de cofrittage est moins critique car la présence de la pastille céramique lors du cofrittrage permet de pallier aux inconvénients des procédés de l'art antérieur. Le retreint est minimisé et le transfert thermique est assuré dans des bonnes conditions, et la pastille céramique confère une plus grande stabilité mécanique de l'ensemble, évitant notamment le désagrégement du potting 5. La température de cofrittage du procédé selon l'invention est ainsi moins critique pour les résultats recherchés, donnant un rendernent de fabrication amélioré, une meilleure fiabilité du produit final, et des coûts de fabrication réduits. Dans une variante préférentielle du procédé selon l'invention, le mélange 5 de poudres de granulométries différentes est additionné d'une faible quantité (une fraction d'un pour mille à quelques dizaines de pour cent environ) d'un matériau fondant dont la température de fusion est inférieure à la température habituelle de frittage d'alumine. Dans une plage de valeurs préférée, la proportion dudit matériau fondant est comprise entre 0,1 % et 20 % au poids dudit mélange d'aluminates. La jupe 3 est fermée à son extrémité par la pastille céramique préfrittée 7 et l'ensemble est cofrittée à une température modérée sous hydrogène. Le matériau fondant se répand en se fondant entre les grains d'alumine, donnant un potting moins poreux.Les avantages du procédé selon l'invention, notamment la stabilité mécanique du potting et le transfert thermique entre le filament 1 et la pastille émissive 2 sont améliorés davantage. La figure 3 montre un autre exemple de réalisation d'une cathode selon l'invention. Dans cet exemple, le procédé selon l'invention est comme pour l'exemple précédent ou sa variante préférentielle déjà exposés dans notre discussion de la figure 2, à une exception près. Autour de la pastille céramique 7 d'alumine, une métallisation 10 est appliquée sur le pourtour de la pastille pour permettre le brasage de la pastille 7 sur la jupe 3. Cette métallisation sera d'un compose qui peut se braser sur la jupe 3 molybdène, par exemple Mo-Mn, Pal-Co, ou similaire. La pastille 7 comportant la métallisation 10 est placée dans l'extrémité de la jupe 3 et l'ensemble est cofrittée comme dans l'exemple précèdent. Ensuite un brasure est effectué entre la pastille 7 et la jupe 3. La figure 4 montre une autre variante d'une réalisation d'une cathode selon l'invention ; la différence dans ce cas est que la pastille céramique 7 d'alumine est d'un diamètre plus large que le diamètre de la jupe 3, et elle comporte un rebord 11 sur son circonférence, dont le diamètre interne est sensiblement égal au diamètre externe de la jupe 3. Dans cet exemple de la figure 4, la face médiane (vers l'axe de révolution) du rebord comporte une métallisation 10 comme dans l'exemple précédent pour brasure à la jupe 3. Le procédé se déroule comme dans I'exemple précédent. D'autres variantes du procédé ou du produit final seront facilement imaginées par I'homme de l'art à partir des principes de l'invention. Les avantages obtenus par le procédé selon l'invention ou par l'une de ces variantes peuvent l'être également pour d'autres types de cathode à chauffage indirect, telles les cathodes à oxydes par exemple. Ainsi le procédé selon l'invention permet d'obtenir une multiplicité de cathodes différentes, dont les principes utilisés dans la fabrication et dont les avantages ainsi obtenus relèvent de l'invention. R E V E N D I C A T r O N S 1. Procédé de fabrication du potting de filament de chauffage pour une cathode à chauffage indirect selon lequel une pastille émissive 2 est insérée dans une première extrémité d'une jupe métallique 3 ayant deux extrémités, à l'arrière de laquelle jupe par sa deuxième extrémité un filament de chauffage 1 est placé et entouré par un mélange 5 de poudres d'aluminates de granulométries différentes; caractérise en ce que la jupe 3 est ensuite fermée, en ladite deuxième extrémité éloignée de la pastille émissive émissive 2, par une pastille d'alumine pressée à partir de gros grains et auparavant frittée ; l'ensemble est ensuite cofrittée. 2. Procédé de fabrication du potting de filament de chauffage pour une cathode à chauffage indirect selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange de poudres d'aluminates est additionné d'une faible proportion d'un matériau fondant avant cofrittage à "np température modérée (1700 à 17500 C). 3. Procédé de fabrication du potting de filament de chauffage pour une cathode à chauffage indirect selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit matériau fondant est un oxyde. 4. Procédé de fabrication du potting de filament de chauffage pour une cathode à chauffage indirect selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit matériau fondant est l'oxyde de zirconium. 5. Procédé de fabrication du potting de filament de chauffage pour une cathode à chauffage indirect selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit matériau fondant est ltoxyde de silicium. 6. Procédé de fabrication du potting de filament de chauffage pour une cathode à chauffage indirect selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit matériau fondant est l'oxyde d'yttrium. 7. Procédé de fabrication du potting de filament de chauffage pour une cathode à chauffage indirect selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que ladite proportion dudit matériau fondant est compris entre 0,1 % et 20 % au poids dudit mélange d'aluminates. 8. Procédé de fabrication du potting de filament de chauffage pour une cathode à chauffage indirect selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite pastille 7 d'alumine est métallisée sur son pourtour par une métallisation 10 avant assemblage et cofrittage de l'ensemble ; ensuite la pastille 7 d'alumille est brasée à la jupe métallique 3. 9. Procédé de fabrication du potting de filament de chauffage pour une cathode à chauffage indirect selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 8. caractérisé en ce que ladite pastille 7 d'alumine est d'un diamètre sensiblement égal au diamètre intérieur de 1A jupe 3, et en ce que ladite pastille 7 est insérée dans ladite deuxième extrémité de la jupe 3 avant ledit cofrittage de l'ensemble. 10. Procédé de fabrication du potting de filament de chauffage pour une cathode à chauffage indirect selon l'une quelconque des revendications 1, ou 8, caractérisé en ce que ladite pastille 7 d'alumine est d'un diamètre plus grand que le diamètre de la jupe 3 et en ce quelle comporte un rebord Il sur son pourtour, ce rebord 11 ayant un diamètre intérieur sensiblement égal au diamètre extérieur de la jupe 3, et en ce que ledit deuxième extrémité de ladite ,elle 3 est insérée dans ledit rebord de ladite pastille 7 avant ledit cofrittage de l'ensemble. 11. Cathode obtenue selon le procédé de la revendication 1. 12. Cathode obtenue selon le procédé de la revendication 2. 13. Cathode obtenue selon le procédé de l'une quelconque des revendications 3 à 10.