Brevet FR2693028A1 — publié le 19931231

CANON A ELECTRONS A ECHAUFFEMENT REDUIT DE LA GRILLE. La présente invention concerne les canons à électrons à grille en particulier ceux destinés à équiper les tubes électroniques de puissance élevée Ces tubes sont principalement du type à faisceau linéaire tels que les klystrons ou les tubes à ondes progressives Ils pourraient aussi être de type triode ou tétrode. Les canons de tube à faisceau linéaire comprennent une cathode en matériau émissif et une anode portée à un potentiel plus positif que celui de la cathode. La cathode fournit, lorsqu'elle est chauffée, un faisceau d'électrons dirigé vers l'anode Pour faire varier l'intensité du faisceau d'électrons dans le temps, on utilise une grille de commande disposée entre la cathode et l'anode Elle est portée à un potentiel intermédiaire entre celui de la cathode et celui de l'anode. La grille de commande est bombardée par les électrons. Il se produit une interception du faisceau d'électrons qui est très gênante dans les tubes à puissance élevée De plus la grille de commande s'échauffe fortement ce qui limite la durée d'utilisation du canon On a proposé pour supprimer le bombardement de la grille de commande, de placer une grille-masque à proximité de ou en contact avec la cathode. Cette grille-masque a le même dessin que la grille de commande et est souvent portée au potentiel de la cathode Mais il est apparu à l'usage que cette grille-masque en chauffant comme la cathode, devient elle-même émissive par suite d'une migration de matière émissive de la cathode Les électrons émis par la grille-masque ont des trajectoires aberrantes et le faisceau d'électrons converge mal Ces électrons percutent la grille de commande et ou d'autres éléments constitutifs du tube, de manière incontrolable et indésirée Dans les configurations o la grille-masque est à proximité de la cathode il y a moins de risque de pollution de la grille-masque par la matière émissive. Mais l'émission d'électrons est tout aussi perturbée car toute la zone située entre la surface émissive et la grille-masque est au même potentiel. Dans d'autres configurations encore, on a associé une grille-masque avec des ouvertures circulaires et une cathode dont la surface émissive a, en face de chaque ouverture de la grille-masque, une forme de cupule sphérique Le faisceau d'électrons émis est moins perturbé mais la réalisation d'un tel canon est plus compliquée et plus chère. La présente invention propose de remédier à ces inconvénients Elle propose de supprimer la grille-masque et de creuser dans la cathode des rainures suffisamment profondes pour que leur fond n'émette pas d'électrons L'absence de la grille-masque supprime la pollution Les rainures dont le fond est non émissif forment une grille-masque virtuelle Les rainures sont disposées de manière à être en vis à vis direct avec les parties pleines de la grille de commande Les électrons émis pas la cathode ne bombardent pas la grille de commande. La présente invention propose un canon à électrons comportant une cathode en matériau émissif avec une face active émettant des électrons à travers une grille de commande La grille de commande est en vis à vis mais sans contact avec la face active La cathode et la grille de commande contribuent à créer un champ électrique dans leur voisinage La face active comporte des zones émissives et des zones non émissives, ces dernières sont des rainures creusées dans le matériau émissif. Au fond des rainures, l'intensité du champ électrique est sensiblement nulle et la grille de commande a des parties pleines qui coïncident et sont en regard direct avec les rainures De préférence, les rainures comportent deux côtés en vis à vis espacés d'une distance une à cinq fois plus petite environ que la distance entre le fond et la face active. Il est préférable qu'au moins une rainure comporte sur ses côtés une zone traitée contre l'émission électronique, cette zone étant contigile avec la face active Cette zone a une largeur d'environ l'espacement entre les deux côtés. De préférence, pour éviter de perturber l'émission d'électrons, la face active comporte au moins une zone traitée contre l'émission électronique autour des rainures Cette zone à une largeur d'environ le dixième de l'espacement entre les côtés de la rainure. Lorsque le matériau est poreux, les pores peuvent être bouchés par écrasement dans la zone traitée contre l'émission électronique Le matériau émissif peut aussi être fondu par laser dans la zone traitée contre l'émission électronique qu'il soit poreux ou non Il peut aussi être recouvert d'une couche de protection dans un matériau à travail de sortie aussi fort que possible La couche de protection a une épaisseur de l'ordre du micromètre. D'autres dispositions et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures qui l'accompagnent et dans lesquelles la figure l est un canon de l'art antérieur; la figure 2 est une vue de face d'une cathode d'un canon selon l'invention; la figure 3 est une coupe d'une cathode et d'une grille de commande d'un canon selon l'invention; la figure 4 est un détail d'une rainure; la figure 5 est une vue en coupe d'un canon selon l'invention. La figure l représente en coupe longitudinale un canon à électrons à grille de type connu Il comporte une cathode 1 qui a une face active concave La cathode i est souvent portée à une haute tension négative La face active émet un faisceau d'électrons lorsque la cathode est chauffée La cathode peut être de type imprégné avec une matrice 2 poreuse (souvent en tungstène) imprégnée d'un matériau thermoémissif (souvent des aluminates de barium) La matrice 2 est montée sur une jupe 3 en métal réfractaire Un filament de chauffage 10 est prévu pour chauffer la matrice 2 poreuse. Le faisceau d'électrons est émis vers une anode 4 ouverte en son centre pour que le faisceau d'électrons puisse passer à travers Après avoir traversé l'anode 4, les électrons pénètrent dans un dispositif utilisateur 5 en forme de tunnel qui peut être le corps d'un tube hyperfréquence Ce dispositif ne fait pas partie du canon Ce dispositif 5 est généralement porté à une masse et se termine par un collecteur (non représenté) qui recueille les électrons L'anode 4 peut être portée au potentiel du dispositif utilisateur 5 comme sur la figure 1 ou a un potentiel intermédiaire entre la potentiel de la cathode 1 est celui du dispositif utilisateur 5 Des grilles et une électrode de focalisation ou wehnelt peuvent être insérées entre la cathode 1 et l'anode 4 Sur la figure 1, entre la cathode 1 et l'anode 4, on rencontre successivement deux grilles 6,7 et un wehnelt 8. Le wehnelt 8 contribue à focaliser le faisceau d'électrons Une des grilles 6 est une grille-masque elle est en contact avec la face active de la cathode 1 Elle est portée au même potentiel que la cathode La grille-masque 6 est percée d'ouvertures Les électrons sont émis au niveau de ces ouvertures sous forme de faisceaux élémentaires Entre la grille-masque 6 et le wehnelt 8 se trouve une grille de commande 7 La grille de commande 7 est portée à un potentiel intermédiaire entre celui de la cathode 1 et celui de l'anode 4. Cette grille de commande 7 comporte des ouvertures qui sont alignées avec celles de la grille-masque 6 Toutefois les ouvertures de la grille de commande 7 sont souvent légèrement plus larges que celles de la grille-masque 6 La grille de commande 7 peut servir à moduler en impulsions le faisceau d'électrons lorsque le canon est destiné à fonctionner en impulsions ou à ajuster le courant du canon lorsqu'il est destiné à fonctionner en continu Les deux grilles 6,7 sont sensiblement parallèles et suivent la courbure de la face active de la cathode 1 La grille-masque 6 introduit des aberrations au niveau du faisceau d'électrons car elle finit par être polluée par la matière émissive et par se mettre à émettre des électrons Des électrons émis par elle bombardent la grille de commande 7 qui s'échauffe à son tour et d'autres ont des trajectoires perturbées. La figure 2 représente en vue de face, une face active d'une cathode d'un canon selon l'invention On suppose que la cathode est formée d'une matrice en matériau émis sif La face active 20 comporte des zones émissives 22 hachurées et des zones non émissives 21 sans hachures Les zones non émissives 21 sont des rainures creusées dans le matériau émlsslf. Sur la f igure 3, on voit en coupe transversale la cathode de la figure 2 associée à une grille de commande 30 placée à proximité de la face active 20 de la cathode La grille de commande 30 a des barreaux 31 dont le dessin correspond à celui des rainures 21 Les rainures 21 sont en regard direct avec les barreaux 31 de la grille de commande 30 La grille de commande 30 est portée à un potentiel plus positif que celui de la cathode La grille de commande et la cathode contribuent à créer un champ électrique dans leur voisinage. La figure 4 représente en détail une rainure 21 Elle est formée d'un fond 40 et de deux côtés 41 qui se font face. Les deux côtés 41 font de préférence un angle droit avec le fond Les rainures sont des zones non émissives car le fond 40 des rainures n'émet pas d'électrons Les rainures sont dimensionnées et positionnées par rapport à la grille de commande 30 pour que l'intensité du champ électrique soit sensiblement nulle au fond 40 des rainures Sur les côtés 41 des rainures, l'intensité du champ électrique est très inférieure à celle existant au niveau de la face active 20 de la cathode Il n' y a pratiquement pas d'émission électronique au niveau des côtés 41 des rainures 21. Pour construire un canon à électrons selon l'invention utilisant une grille de modulation semblable à celles utilisées dans les canons de l'art antérieur, on donnera de préférence aux rainures 21 une profondeur p de l'ordre d'une fois à cinq fois la distance e séparant leurs deux côtés 41. Cette distance e correspond sensiblement à la dimension de la section droite des barreaux 31 de la grille de commande 30, dimension mesurée parallèlement à la face active 20 de la cathode Ces dimensions ne sont que des exemples et ne sont nullement limitatives. Il se peut qu'il subsiste une faible émission électronique parasite sur les côtés 41 des rainures 21 à l'opposé du fond 40 dans des zones attenantes 42 à la face active 20. Pour supprimer cette émission parasite éventuelle, plusieurs variantes sont possibles Si la cathode est formée d'une matrice poreuse imprégnée de matériau thermoémissif, on peut boucher les pores en écrasant le matériau poreux La matrice poreuse est souvent en tungstène et elle est fragile L'attaque du tungstène avec un outil de forme appropriée referme les pores et supprime l'émission d'électrons dans la zone traitée. Les zones traitées contre l'émission électronique peuvent aussi être fondues au laser que le matériau soit poreux ou non Le faisceau du laser est déplacé le long des zones à traiter Si la cathode a des pores ils sont bouchés par fusion. Une troisième variante consiste à recouvrir d'une couche de protection les zones à traiter contre l'émission électronique La couche de protection sera dans un matériau à travail de sortie aussi fort que possible Un matériau à fort travail de sortie ne peut émettre des électrons qu'en présence d'un fort champ électrique Ce matériau peut être par exemple du tungstène, du disiliciure de molybdène ou un carbure d'un métal réfractaire ou un de leurs alliages ou mélanges Les métaux réfractaires sont par exemple le tungstène, le molybdène ou le tantale L'épaisseur de la couche déposée sera avantageusement de l'ordre du micromètre Le dépôt peut être fait par évaporation ou par un procédé physico-chimique sous atmosphère controllée, par exemple, un dépôt en phase vapeur ou un dépôt sous vide On peut utiliser un masque ayant des ouvertures correspondant aux zones à traiter contre l'émission électronique et des parties pleines correspondant aux zones à protéger. Pour que les électrons émis aient des trajectoires aussi peu perturbées que possible, on aura aussi interêt à traiter contre l'émission électronique, des zones 43 de la face active 20 de la cathode situées au bord des rainures 21 Ces zones 43 au bord des rainures sont normalement émissives Mais elles peuvent être géométriquement mal définies en raison de la fragilité de la matrice poreuse Les trajectoires des électrons issus de ces zones pourraient être perturbées. Les zones 42 traitées contre l'émission électronique des côtés des rainures 21 auront environ une largeur 12 à partir de la face active 20, cette largeur 12 étant sensiblement égale à la distance e séparant les deux côtés 41 des rainures. Les zones 43 traitées contre l'émission électronique de la face active 20 auront une largeur Il à partir du bord de la rainure sensiblement égale au dixième de la distance e. La figure 5 représente une coupe d'un canon selon l'invention Il est comparable à celui de la figure 1 On retrouve une cathode 1 face à une anode 4, un wehnelt 8 et une grille de commande 30 mais conformément à l'invention la grille-masque a été supprimée. La face active 20 de la cathode a des zones émissives 22 et des zones non émissives formées de rainures 21 dont le fond est soumis à un champ électrique sensiblement nul La grille de commande 30 a des barreaux 31 qui sont en face à face direct avec les rainures 21 puisqu'il n'y a plus de grille-masque. Le risque de bombardement de la grille de commande 30 est considérablement réduit grâce aux rainures 21 non émissives. D'autres réalisations d'un canon selon l'invention sont tout à fait possibles, les exemples donnés n'étant nullement limitatif s REVENDICATIONS 1 Canon à électrons comportant une cathode en matériau émissif avec une face active ( 20) émettant des électrons à travers une grille de commande ( 30) qui est en vis à vis et sans contact avec la face active, la cathode et la grille de commande ( 20) contribuant à créer un champ électrique, caractérisé en ce que la face active ( 20) comporte des zones émissives ( 22) et des zones non émissives ( 21), les zones non émissives étant formées par des rainures creusées dans le matériau émissif, le champ électrique ayant une intensité sensiblement nulle au fond ( 40) des rainures ( 21) et en ce que la grille de commande ( 30) a des parties pleines ( 31) qui coïncident et qui sont en regard direct avec les rainures ( 21). 2 Canon à électrons selon la revendication 1, caractérisé en ce que les rainures ( 21) comportent entre le fond ( 40) et la face active ( 20) deux côtés ( 41) en vis à vis, espacés d'une distance (e) environ une à cinq fois plus petite que la distance (p) séparant le fond ( 40) de la face active ( 20). 3 Canon à électrons selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins une rainure ( 21) comporte une zone ( 42) traitée contre l'émission électronique, cette zone ( 42) étant contig e avec la face active ( 20). 4 Canon à électrons selon la revendication 3, caractérisé en ce que la zone ( 42), traitée contre l'émission électronique a une largeur ( 12) à partir de la face active ( 20) qui est sensiblement égale à l'espacement (e) entre les côtés ( 41) de la rainure ( 21). Canon à électrons selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la face active ( 20) comporte au moins une zone ( 43) traitée contre l'émission électronique située au bord d'une rainure ( 21). 6 Canon à électrons selon la revendication 5, caractérisé en ce que la zone ( 43) traitée contre l'émission électronique a une largeur ( 11) à partir du bord de la rainure ( 21) sensiblement égale au dixième de l'espacement (e) entre les côtés ( 41) de la rainure ( 21). 7 Canon à électrons selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le matériau émissif a des pores bouchés par écrasement avec un outil approprié dans la zone traitée contre l'émission électronique. 8 Canon à électrons selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le matériau émissif est fondu par laser dans la zone traitée contre l'émission électronique. 9 Canon à électrons selon l'une des revendications 3 ou 6, caractérisé en ce que le matériau émissif est recouvert d'une couche de protection dans la zone traitée contre l'émission électronique. Canon à électrons selon la revendication 9, caractérisé en ce que la couche de protection est réalisée dans un matériau à travail de sortie aussi fort que possible. 11 Canon à électrons selon la revendication 10, caractérisé en ce que le matériau à travail de sortie aussi fort que possible est choisi parmi le tungstène, le disiliciure de molybdène, un carbure d'un métal réfractaire, un de leurs alliages ou mélanges. 12 Canon à électrons selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que la couche de protection est déposée par évaporation ou par un procédé physico-chimique. 13 Canon à électrons selon l'une des revendications 9 à 12 caractérisé en ce que la couche de protection a une épaisseur de l'ordre du micron.