Brevet FR2692075A1 — publié le 19931210

La présente invention concerne d'une manière générale la fabrication des tubes électroniques dans leurs applications telles que, l'amplification, la détection, la génération d'oscillations, etc. et plus particulièrement de sa cathode qui est thermoémissive et constitue une source d'électrons dans ledit tube qui est sous vide. Dans ce type de tube est disposée une grille de contrôle dont le rôle est celui de contrôler le débit d'électrons émis par la cathode vers l'anode quand on applique une tension, l'ensemble ainsi réalisé étant une triode, pouvant se transformer en tétrode par l'adjonction d'une grille supplémentaire ou pentode avec deux grilles supplémentaires etc. Quel que soit le cas de figure, il existe à ce jour trois principaux types de cathodes, à savoir A : les cathodes froides B : les cathodes chauffées de manière indirecte. Dans ce cas la cathode est revêtue d'un dépôt d'oxyde de baryum et / ou de strontium et chauffée par un filament porté à haute température. C : les cathodes chauffées de manière directe. Dans ce cas la cathode est constituée d'un filament de tungstène thorié : alliage de tungstène (97 à 98 %) et de thorium (3 à 2 %). Il existe également d'autres formes de cathodes circulaires, cylindriques, annulaires etc. Les cathodes les plus couramment utilisées sont celles à chauffage direct ou indirect citées ci-dessus. Celles-ci ont un débit en courant de l'ordre de 150 à 250 mA/cm2 de surface cathodique. Dans le cas des dépôts à oxyde, avec une température de l'ordre de 700 à 800 C, et une puissance de chauffage réduite, ce débit est obtenu à raison d'une émissivité de 10 à 20 mA / Watt de chauffage (cas B). Il est difficile actuellement d'accroître l'émissivité des cathodes type B. Il en est tout autrement pour celles du cas C. En conséquence dans le cas d'utilisation d'un filament de tungstène thorié (cas C), le pouvoir émissif tourne autour de 5 mA / Watt de chauffage avec une température de l'ordre de 1800 3 C, ce qui nécessite une puissance de chauffage supérieure au cas précédent. Il est par conséquent souhaitable d'améliorer le rendement émissif de telles cathodes sur deux plans à savoir l'émîssivité par unité de surface et l'émissivité par Watt de chauffage. Pour tendre à obtenir ce résultat il est connu des moyens consistant à rendre la surface de la cathode plus rugueuse ou en combinant les structures des cathodes selon les cas B et C précités. Dans ce cas on dépose sur un support, une couche d'oxyde de baryum et de strontium et des filaments de tungstène thorié, entrecroisés éventuellement. Ce type de cathode est appelé cathode à réserve Néanmoins, l'expérience montre que ces dernières ont un pouvoir émissif insuffisant entraînant des puissances de chauffage et des masses volumiques de cathodes plus élévées en fonction des puissances recherchées en sortie. Ceci conduit également à des limitations d'application dans des bandes de fréquences de l'ordre de quelques centaines de mégahertz. En conséquence le but de la présente invention est de pouvoir monter plus haut en fréquence - plusieurs gigahertz - tout en recherchant, en sortie du tube, un niveau de puissance élevé et cela sans provoquer une augmentation des calories à évacuer et sans augmenter non plus le volume de la cathode, ce qui serait également pénalisant pour la montée en fréquence. Or pour augmenter la puissance il faut augmenter la surface de la cathode, et donc le chauffage. Par contre pour augmenter la fréquence il faudrait diminuer cette même surface. Ceci est parfaitement contradictoire. L'invention vise à atteindre le but précité et à remédier à cette contradiction. A cet effet elle concerne un tube électronique comprenant au moins une anode et une cathode sous vide d'air, la dite cathode ayant un pouvoir d'émissivité thermoélectronique lors d'une application d'une tension électrique à ses extrémités, caractérisé en ce que pour un volume donné et un périmètre émissif théorique correspondant de l'enveloppe de la cathode, l'on augmente le périmètre émissif efficace de celle-ci en pratiquant à sa surface, une pluralité de trous ayant pour effet d'abandonner une surface d'émission minime au moins égale à une surface de base dudit trou, au bénéfice d'une surface latérale plus importante qu'il engendre, de manière à constituer une micro-structure à haut pouvoir d'émissivité, dépendante du nombre de trous, de leurs dimensions, et de leur positionnement. On comprend bien que l'on a intérêt à perforer au maximum la micro-structure ainsi définie, constituant la cathode, dans la limite de sa résistance mécanique, bien entendu. De cette manière, plus on augmente la surface d'émissivité en augmentant la surface interne de la cathode, sans modifier son volume externe, plus la puissance de chauffage nécessaire est réduite, car il y a moins de matériau à chauffer. On a donc bien atteint le double but qui consiste à augmenter l'émissivité d'une cathode tout en diminuant la puissance de chauffage nécessaire, pour un volume extérieur inchangé. Cette augmentation de la surface du conducteur "cathode" favorise également sa conductivité en haute fréquence du fait bien connu de la faible pénétration volumique des courants hautes fréquences. Bien entendu on aurait pu aussi atteindre ce but en augmentant la surface externe de la cathode, en créant des cannelures de toutes formes telles que ondulées, triangulaires, rectangulaires, selon une technique déjà employée en matière de dissipateur de la chaleur des composants électroniques de puissance. On aurait pu également penser à disposer côte à côte ou à entrelacer des filaments en tungstène thorié de diamètre plus petit que celui habituellement adopté. Ou encore une solution aurait pu consister à disposer des plots cylindriques sur la suface externe de la cathode. Toutes ces solutions, si elles peuvent être facilement imaginées, sont en revanche difficilement concrétisables sans mettre en oeuvre des machines-outils complexes et onéreuses. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques de celle-ci seront mises en évidence à l'aide de la description qui suit, en référence aux dessins schématiques annexés, illustrant, à titre d'exemple non limitatif, comment l'invention peut être réalisée et dans lesquels La figure 1 est une vue d'une cathode perforée suivant l'invention. La figure 2 est une vue en coupe transversale selon la ligne II II de la figure 1 à échelle agrandie. La figure 3 est une vue en coupe transversale d'une cathode selon une variante de réalisation des trous. La figure 4 est vue à échelle agrandie d'une zone frontale d'une cathode selon l'invention. La cathode 1 représentée sur les figures constitue l'élément actif d'un tube électronique (non représenté) comprenant également une anode et éventuellement une ou plusieurs grilles de contrôle du débit d'électrons allant de la cathode à l'anode quand on leur applique une tension. De tels tubes dont le principe d'application a été rappelé en introduction, sont largement connus et diffusés et par conséquent ne seront pas décrits en détail ici, à l'exception de la cathode 1 faisant l'objet de la présente invention. I1 s'agit d'une cathode chaude en forme de filament en tungstène thorié tel que défini dans le cas C précité. Celle-ci est utilisée en chauffage direct par application d'une tension électrique, alternative ou continue, à ses extrémités. L'émission électronique est du type thermoélectronique. La cathode 1 est constituée par un filament de section quadrangulaire perforé. Selon le présent exemple d'invention, la cathode 1 est réalisée à partir d'un filament de section rectangulaire dont la longeur L = 350 mm ; la largeur 1 = 0,75 mm l'épaisseur e = 0,25 mm. Le volume engendré par une telle cathode défini un périmètre émissif théorique, correspondant à son enveloppe. De façon à augmenter le périmètre émissif efficace de la cathode, on pratique à sa surface une pluralité de trous 2, ayant pour effet d'abandonner une surface d'émission minime égale à la somme des bases des trous pratiqués par enlèvement de matière, au bénéfice d'une surface plus importante égale à la somme de toutes les surfaces latérales desdits trous 2. Il est constitué ainsi une micro-structure à haut pouvoir d'émissivité, dépendant du nombre de trous 2, de leurs dimensions et de leur positionnement. De façon à créer le maximum de surface émissive, les trous 2 seront les plus petits possible dans la limite des moyens de micromécanique existant actuellement à savoir perçage mécanique, érosion électronique, laser etc. Les espacements entre les trous 2 seront également le plus réduit possible, dans la limite de la résistance mécanique de la micro-structure. Selon l'exemple des figures 1 et 2, la cathode 1 est constituée par un filament perforé de trous 2 ; parallèles entre eux ; orientés selon une direction perpendiculaire à l'axe longitudinal XX' du filament ; équidistants les uns des autres ; disposés en ligne symétriquement suivant des plans parallèles entre eux. Selon une première variante de réalisation représentée sur la figure 3 les trous 2A et 2B pratiqués dans la cathode 1A sont orientés selon des directions différentes perpendiculaires entre elles et par rapport à leur face d'origine, pour réaliser une trame de galeries s'entrecroisant pour une plus grande évacuation des électrons. Dans cet exemple de réalisation représenté sur la figure, la cathode lA comporte également des trous 2C parallèles entre eux et par rapport à l'axe longitudinal XX' du fi lament. Selon l'exemple de réalisation représenté sur la figure 4 la cathode 1B comporte une pluralité de trous 2D disposés en quinconce suivant des plans parallèles entre eux, mais perpendiculaires à l'axe longitudinal XX' de la cathode, comme dans l'exemple des figures 1 et 2. Préférentiellement ces trous 2D sont circulaires, comme dans les exemples précédents d'ailleurs. Bien entendu ils pourraient être de toute autre forme, comme polygonale . Il en est de même pour le filament constituant la cathode, qui pourrait être de section circulaire plutôt que rectangulaire. Selon l'exemple de la figure 4 ( les trous circulaires 2D sont réalisés suivant les données suivantes : (en micrométres) - diamètre "d" des trous = 25 tm - espacement "b" de deux trous consécutifs d'une même rangée = 20 q m - espacement a' d'un trou d'une rangée avec un trou en quinconce d'une rangée immédiatement supérieure = 10 M m - espacement "c" d'un trou d'une rangée avec un trou situé symétriquement deux rangées au dessus = 27 Hm - entraxe "f" entre deux rangées dans le sens de la hauteur "h" = 26 Hm - entraxe "g" entre deux rangées dans le sens de la largeur "1" = 22,5 Ym Selon cette configuration, la figure 4 montre bien les sections A et B constituant les voies de passage des électrons provoquant le chauffage entre les polarités électriques + et -. Ces voies A et B occupent bien la matière sur leur trajectoire cathodique pour ne laisser qu'une infime partie inactive C qui chauffe plus par conduction thermique qu'électrique. Il sera donné ci-après un exemple d'application chiffrée qui montrera de manière claire et évidente comment l'invention peut être concrètement réalisée et le gain qu'elle apporte. Exemple de calculs Soit des trous de diamètre d = 25# m de hauteur h = 250 # m pratiqués sur un filament de section rectangulaire ayant pour dimensions 350 mm de long = L 0,75 mm x 0,25 mm de section = 1 x h La formule générale d'accroissement de la surface efficace émissive de la cathode n'est cohérente que si la hauteur "h" est supérieure au rayon r = d/2 Sachant que la surface d'occupation des trous "Sto", par rapport à la surface latérale de la cathode sur laquelle les trous sont pratiqués, ne peut dépasser 0,4 (= 40,0) dans l'état actuel des possibilités technologiques en micromécanique, cette formule d'accroissement s'écrit de la façon suivante 1. nombre de trous : n = 0,4 LI / (EudX / 4) = 1,6 LI 2. surface latérale interne totale des trous St1 = #dh x 1,6 L1 / # d2 = 1,6 L1h /d 3. surface utile restante de ;'enveloppe normale ae la cathode Sr = 2L [(1-0,4)(1+h)] ou = 2Llh[(O,6/h)+(1/l)3 4. surface totale de l'enveloppe normale de la cathode Sn = 2L(l+h) ou = 2Llh [(1/h)+(1/l)J d'où on tire le gain d'émissivité donné par G = (Stl + Sr)/Sn, soit après réduction (de 2Llh) = [ (0,8/d) + (0,6/h) + (1/l)]/ g1/h) + (1/l)] Dans notre exemple d'application numérique, le gain serait de G = (32 + 2,4 + 1,333) / (4 + 1,333) = 6,7 Ce gain de surface est également celui du périmètre émissif efficace, qui passe de (l + h) x 2 = 2 mm ; à 2 x 6,7 = 13,4 mm ou 1,34 cm. Avec la longueur L = 35 cm, la surface émissive efficace serait alors de 35 x 1,34 = 46,9 cm(au lieu de So = 7 cm9 A partir de la formule générale de "G", on tire les cas variants suivants : (avec Seff = surface nouvelle efficace) conditions/exemple So= 7,00 cm Go= 6,7 Seffo= 46,9cm si d : 2 S1= 7,00 cnA G1=12,7 Seffl= 88,9cm* si h : 2 "2= 6,125cm "2= 4,086 " 2= 25,0cmZ si d & h 2 "3= 6,125cm "3= 7,515 " 3= 46,0cm si h x 2 "4= 8, 75cm "4=10, 36 " 4= 90,6cm si 1 x 2 "5=12, 25cm "5= 7,515 " 5= 92,0cm si d:2 & lx2 "6=12, 25cm "6=14, 37 " 6=176,0cm * équivalent à un nombre de trous multiplié par 4 Ce rapport obtenu entre la surface d'origine du filament et la nouvelle surface fait apparaître des gains en surface efficace, directement répercutés sur les capacités émissives de la cathode, et entraîne une puissance disponible en sortie du tube de : 6,7 # 45 fois plus grande, avec un volume occupé par la cathode d'origine inchangé. Bien entendu ce rapport peut être modifié en fonction du nombre de trous, de leurs dimensions et de leur position, dans la limite de faisabilité actuelle. Une telle conception des cathodes permet de réduire notablement leur longueur à capacité émissive égale ou invesement d'augmenter leur capacité à longueur égale. Les calculs et les essais ont démontré que le choix de la forme de la section des trous devrait préférentiellement aller vers une section circulaire. En effet des trous circulaires présentent bon nombre d'avantages à savoir - économie de réalisation - logeabilité plus grande entre eux - résistance du matériau moins altérée - possibilité de réduction extrême de leurs dimensions au bénéfice d'un plus grand nombre. REVENDICATIONS 1. Tube électronique comprenant au moins une anode et une cathode sous vide d'air, ladite cathode ayant un pouvoir d'émissivité thermoélectronique lors d'une application d'une tension électrique à ses extrémités, caractérisé en ce que pour un volume donné et un périmètre émissif théorique correspondant de l'enveloppe de la cathode (1, 1A, lu,), l'on augmente le périmètre émissif efficace de celle-ci en pratiquant à sa surface, une pluralité de trous (2, 2A, 2B, 2C, 2D) ayant pour effet d'abandonner une surface d'émission minime au moins égale à une surface de base dudit trou, au bénéfice d'une surface latérale plus importante qu'il engendre, de manière à constituer une micro-structure à haut pouvoir d'émissivité, dépendant du nombre de trous, de leurs dimensions, et de leur positionnement. 2. Tube électronique selon la revendication 1 caractérisé en ce que la cathode (1) est constituée par un filament perforé de trous (2) parallèles entre eux, et orientés selon une direction perpendiculaire à l'axe longitudinal (XX') du filament. 3. Tube électonique selon la revendication 1 caractérisé en ce que la cathode (lA) est constituée par un filament perforé d'une part par des trous (2A, 2B) orientés selon des directions différentes perpendiculaires entre elles, et d'autre part par des trous (2C) parallèles à l'axe longitudinal ( XX') pour réaliser une trame de galeries. 4. Tube électronique selon la revendication 1 caractérisé en ce que les trous (2, 2A, 2B, 2C) sont disposés, en lignes symétriques, suivant des plans parallèles. 5. Tube électronique selon la revendication 1 caractérisé en ce que les trous (2D) sont disposés en quinconce suivant des plans parallèles. 6. Tube électronique selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les trous (2, 2A, 2B, 5t, 2D) sont équidistants les uns des autres. 7. Tube électronique selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la cathode (1, 1A, 1B,) est constituée par un filament de section quadrangulaire perforé. 8. Tube électronique selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la cathode (1, 1A, 1B,) est constituée par un filament de section circulaire perforé. 9. Tube électronique selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les trous (2, 2A, 2B, 2C, 2D) sont de section circulaire. 10. Tube électronique selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que les trous (2, 2A, 2B, 2C, 2D) sont de section polygonale. 11. Tube électronique selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la cathode perforée (1, 1A, 1B,) est une cathode chaude à chauffage direct en tungstène thorié. 12. Cathode entrant dans la fabrication d'un tube électronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11.