Brevet FR2733856A1 — publié le 19961108

CATHODE POUR CANON A ELECTRONS A GRILLE, GRILLE DESTINEE A ETRE ASSOCIEE AVEC UNE TELLE CATHODE ET CANON A ELECTRONS COMPORTANT UNE TELLE CATHODE. Le domaine de l'invention est celui des tubes électroniques et notamment ceux à faisceaux d'électrons longitudinaux à grille tels que les IOT (abréviation des termes anglais Inductive Output Tube). Un IOT comporte un canon à électrons qui émet un faisceau d'électrons, une cavité résonante qui est traversée par le faisceau et un collecteur qui recueille les électrons du faisceau à leur sortie de la cavité. Le canon à électrons comporte une cathode généralement concave et en forme de portion de sphère, une grille de commande et une anode. La face concave de la cathode émet des électrons lorsqu'elle est portée à haute température. Les électrons traversent la grille de commande et sont attirés par l'anode puis pénètrent dans la cavité résonante en formant un faisceau longitudinal. La grille de commande sert à moduler l'émission d'électrons de manière à les regrouper en paquets avant leur entrée dans la cavité résonante. La cathode est généralement réalisée par un corps poreux imprégné d'un matériau émissif. Le corps poreux peut être en tungstène et le matériau émissif des aluminates de baryum, de calcium et de strontium. Elle commence à émettre des électrons aux alentours de 900" à 1100 C. La grille de commande est très proche de la cathode. L'intervalle entre la grille et la cathode est de l'ordre de quelques dixièmes de millimètres. Le matériau émissif à tendance à s'évaporer et à migrer notamment sur la grille de commande et sur l'anode. La grille chauffe, d'une part à cause de la proximité de la cathode, et d'autre part à cause des électrons qui la percutent. Le matériau émissif qui a migré sur la grille provoque une émission d'électrons parasite qui perturbe le fonctionnement du tube. L'anode étant relativement éloignée de la cathode, elle reste relativement froide et le matériau émissif qui la recouvre n'est pas trop gênant. Des solutions ont été proposées pour éliminer cette émission d'électrons parasite. L'une d'elie préconise de bombarder la grille avec des électrons pour la chauffer et pour faire évaporer le matériau émissif qui la recouvre. La fréquence de ce chauffage peut être journalière, avant chaque mise en route par exemple. Le nettoyage de la grille par chauffage est une contrainte sévère sur un émetteur de télévision qui peut fonctionner sur un sité isolé avec un pilotage à distance. Ce chauffage peut aussi provoquer à la longue une dégradation du fonctionnement du canon à électrons. Une autre voie suivie pour éviter cette émission d'électrons parasite consiste à diminuer autant que possible la température de la grille pendant le fonctionnement du tube. Une solution connue est d'utiliser une cathode travaillant à des températures plus basses que celles des cathodes classiques pour abaisser de ce fait la température de la grille de commande. Cette solution ne donne pas non plus de bons résultats. Le phénomène d'émission parasite est seulement retardé mais pas éliminé. Un autre inconvénient rencontré est que l'émission parasite de la grille de commande limite la taille de la cathode et par conséquent le courant électronique produit. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients en proposant une cathode pour canon à électrons à grille qui contribue à un meilleur refroidissement de la grille et permet d'éviter efficacement l'émission parasite. Cette cathode comporte une partie émissive qui délimite un évidement sensiblement central. La cathode est de manière avantageuse chauffée par un dispositif de chauffage qui comporte un élément chauffant à l'opposé de sa partie émissive, cet élément chauffant délimitant un évidement face à l'évidement de la cathode. La présente invention concerne aussi une grille destinée à être associée avec une telle cathode. La grille comporte une partie pleine rayonnant thermiquement, destinée à être disposée face à l'évidement de la cathode. La dissipation thermique de la grille par rayonnement est améliorée grâce à cette partie pleine, rayonnant thermiquement, car elle peut rayonner vers l'évidement de la cathode et vers la zone anodique qui est une zone froide. La grille étant mieux refroidie l'émission d'électrons parasite est éliminée. II est préférable de réaliser la partie pleine dans un matériau ayant une capacité de rayonnement thermique proche de celle du corps noir. Le graphite pyrolitique est particulièrement avantageux. La présente invention concerne aussi un canon à électrons comportant une telle cathode et un tube électronique comportant un tel canon. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description ci-dessous illustrée par les figures annexées qui représentent: - les figures la,lb respectivement une coupe longitudinale d'un canon à électrons de l'art antérieur et une vue de face de sa grille; - les figures 2a, 2b respectivement une vue de face et une coupe transversale d'un exemple d'une cathode conforme à l'invention; - la figure 3 une vue de face d'un exemple d'une grille conforme à l'invention; - la figure 4 une coupe schématique longitudinale d'un exemple d'un canon à électrons conforme à l'invention monté dans un tube électronique également conforme à l'invention; - la figure 5 une vue de face d'un dispositif pour chauffer la cathode selon l'invention. Sur ces figures, les mêmes références désignent les mêmes éléments. Pour des raisons de clarté les côtes des différents éléments ne sont pas respectées. La figure la montre en coupe longitudinale un canon à électrons connu. La cathode porte la référence 1. Elle est pleine et en forme de portion de sphère, sa face active est concave. Un dispositif de chauffage 2 est en contact avec la cathode i à l'opposé de sa face active. Les électrons émis par la face active de la cathode 1 traversent une grille 3 de commande et sont attirés par une anode 4. Ils forment un faisceau longitudinal d'axe XX'. L'anode 4 comporte une ouverture centrale 5 pour laisser le faisceau d'électrons pénétrer dans une cavité résonante (non représentée). L'anode 4 est portée à un potentiel plus positif que la cathode 1. La grille 3 est généralement portée à un potentiel intermédiaire entre celui de la cathode 1 et celui de l'anode 4. La grille 3 est montée sur un support périphérique 6 réalisé dans un matériau bon conducteur thermique tel que le cuivre. Elle est aussi en forme de portion de sphère avec des premiers barreaux 7 disposés sur des parallèles de la sphère et des seconds barreaux 8 disposés sur des méridiens de la sphère. Les deux portions de sphère c'est à dire celle de la cathode 1 et celle de la grille 3 ont leur centre sur l'axe XX'. La figure lb montre de face le dessin de la grille. Lorsque la cathode 1 chauffe du matériau émissif s'évapore et il va recouvrir notamment la grille 3. En chauffant la grille se met à émettre des électrons parasites. Le refroidissement de la grille 3 s'effectue d'une part par conduction vers le support périphérique 6 par l'intermédiaire des premiers et des seconds barreaux 7, 8, et d'autre part par rayonnement vers l'anode 4 essentiellement. La partie la plus chaude de la grille 3 est sa partie centrale. Toute augmentation de la taille de la cathode 1 conduit à augmenter la taille de la grille 3 et donc la température de sa partie centrale. Pour éviter d'augmenter l'émission parasite de la grille 3, on est contraint de limiter la taille de la cathode 1 et par conséquent le courant électronique qu'elle fournit. Les figures 2a et 2b montrent de face et en coupe longitudinale un exemple d'une cathode 10 conforme à l'invention. Sur cette figure, la cathode est une portion de sphère. Elle comporte une partie émissive 12 qui délimite un évidement 11 sensiblement central. De préférence, dans un but de simplification la partie émissive 12 est concave et sensiblement en forme de segment de sphère et l'évidement 11 est sensiblement circulaire. La surface émissive d'une cathode telle que celle de la figure la varie au premier ordre comme le carré de son diamètre. Dans le cas d'une cathode selon l'invention avec un évidement, si le diamètre de l'évidement 11 représente environ 30 à 40 % du diamètre de la cathode 10, la surface de l'évidement Il est relativement petite et n'a pratiquement pas d'influence sur l'émission électronique. La faible perte de surface émissive peut être compensée par une faible augmentation du diamètre de la cathode 10. Par exemple, une cathode classique pleine en forme de calotte sphérique de 38 millimètres de diamètre a la même surface qu'une cathode selon l'invention dont la partie émissive est en segment sphérique de 40 millimètres de diamètre et dont l'évidement a un diamètre de 15 millimètres. La figure 3 représente le dessin d'une grille selon l'invention. Cette grille est destinée à être associée à une cathode de type de celle représentée sur les figures 2a et 2b. La grille comporte une partie 24 pleine, rayonnant thermiquement, destinée à être disposée face à l'évidement de la cathode. Lorsque la grille est montée dans un canon à électrons avec une telle cathode émettant des électrons, elle peut rayonner d'une part vers l'anode et d'autre part vers l'évidement de la cathode. Cette grille est refroidie efficacement et l'émission d'électrons parasite est éliminée. Avec un meilleur refroidissement de la grille, le diamètre de la cathode est dissocié de la température de la grille et on peut envisager de concevoir des tubes électroniques plus puissants avec ce type de canon. Dans un mode de réalisation préféré de la grille selon l'invention, la partie 24 pleine de la grille 23 est réalisée dans un matériau ayant une capacité de rayonnement thermique proche de celle du corps noir. Le graphite et plus particulièrement le graphite pyrolitique est un matériau particulièrement bien adapté pour réaliser cette partie pleine 24 rayonnant thermiquement. La grille représentée sur la figure 3 comporte autour de la partie 24 pleine une partie ajourée 26 qui est destinée à être traversée par les électrons émis par la cathode. La partie ajourée 26 pourra aussi être réalisée en graphite pyrolitique à cause de ses propriétés thermiques, électriques et mécaniques avantageuses. Si la grille 23 est destinée à être utilisée avec une cathode sensiblement en forme de portion de sphère, il est préférable qu'elle soit aussi sensiblement en forme de portion de sphère. La partie 24 pleine peut être en forme de calotte sphérique et la partie ajourée 26 peut comporter des premiers barreaux 28 disposés selon des méridiens de la sphère et des seconds barreaux 29 selon des parallèles de la sphère. La grille 23 peut être réalisée à partir d'une ébauche en graphite pyrolitique, par exemple en forme de portion de sphère, dans laquelle on taille les barreaux 28, 29 et la partie pleine 24. Cette taille peut être réalisée de manière classique, par exemple par usinage laser ou par sablage au jet. On pourrait aussi envisager que la partie ajourée 26 de la grille comporte des ouvertures sensiblement rectangulaires ou hexagonales. La figure 4 montre en coupe longitudinale, un exemple d'un canon à électrons selon l'invention monté dans un tube électronique également conforme à l'invention. Le canon comporte une cathode 21 selon l'invention et une grille de commande 23 toutes les deux sensiblement en forme de portion de sphère. Sur la figure, la cathode 21 comporte une partie émissive 27 en forme de segment de sphère qui délimite un évidement 22 sensiblement central. Une anode 25 et un dispositif de chauffage 40 de la cathode ont aussi été représentés sur cette figure. Le tube électronique est représenté partiellement. II comporte le canon à électrons et les électrons émis sont récupérés enfin de course dans un collecteur 43. Sur cette figure, la grille 23 associée à la cathode selon l'invention comporte une partie pleine 24. Elle est comparable à celle de la figure 3. Sa dissipation thermique est meilleure que dans le canon de la figure la. Si on entoure la grille 23 d'un support périphérique 30 réalisé dans un matériau bon conducteur thermique, tel que du cuivre, la dissipation thermique est encore meilleure. Dans cette configuration, les barreaux 28, 29 de la grille sont refroidis par conduction, à la fois vers le support périphérique 30 et vers la partie pleine 24 rayonnant thermiquement. La partie pleine 24 est refroidie par rayonnement vers l'anode 25 et vers l'ridement 22 de la cathode 21. La longueur des premiers barreaux 28 est considérablement réduite par rapport à celle des barreaux de la figure lb. Par exemple, leur longueur peut passer d'environ 41 millimètres à environ 14, 5 millimètres dans l'exemple cité précédemment. De préférence, pour une meilleure efficacité du refroidissement et une perturbation minimale du faisceau d'électrons émis, la partie pleine 24 de la grille 23 aura sensiblement la même taille que l'évidement 22 de la cathode 21. On aurait pu envisager que la cathode selon l'invention soit associée à une grille sans partie pleine, c'est à dire une grille traditionnelle comme celle de la figure I b, par exemple. Si cette grille est réalisée dans un matériau ayant une capacité de rayonnement proche de celle du corps noir, la partie de la grille face à l'évidement de la cathode peut rayonner vers cet évidement. Le refroidissement de la partie centrale de la grille est amélioré par rapport à celui d'une grille telle que représentée sur la figure la et associée à une cathode pleine mais il est moins bon que dans le cas de la figure 4. Toutefois dans certains cas, ce refroidissement est tout à fait suffisant. La cathode selon l'invention doit être chauffée pour pouvoir émettre des électrons. Un dispositif de chauffage 40 indirect de la cathode a été représenté sur la figure 4. 11 est vu de face sur la figure 5. Il est prévu pour chauffer la partie émissive 27 de la cathode 21. Il est disposé à proximité de la face convexe de la cathode 21. Il comporte un élément chauffant 42 délimitant un évidement 41 face à l'évidement 22 de la cathode 21. Il peut être en forme de plateau ajouré définissant un réseau de conducteurs 45 dans lequel peut circuler un courant électrique. Ce plateau sera réalisé, de préférence dans un matériau conducteur électrique, ayant une capacité de rayonnement thermique proche de celle du corps noir. Le graphite pyrolitique est particulièrement adapté pour réaliser l'élément chauffant 42. Sur l'exemple de la figure 5, le plateau comporte une série de fentes 44 en arc de cercle concentriques, les fentes 44 placées sur deux cercles successifs étant décalées les unes par rapport aux autres. L'espace entre les fentes 44 forme le réseau de conducteurs 42 électriques. La présente invention n'est pas limitée à une cathode en portion de sphère, ni à une grille en portion de sphère. REVENDICATIONS 1- Cathode pour canon à électrons à grille comportant une partie émissive (27), caractérisée en ce que la partie émissive (27) délimite un évidement (22) sensiblement central. 2- Cathode selon la revendication 1, caractérisée en ce que la partie émissive (27) est sensiblement un segment de sphère. 3- Cathode selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'évidement (22) est sensiblement circulaire. 4- Cathode selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que le diamètre de l'évidement (22) représente environ 30 à 40% du diamètre de la partie émissive (27). 5- Cathode selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle est destinée à être chauffée par un dispositif de chauffage (40) comportant un élément chauffant (42) délimitant un évidement (41) disposé face à l'évidement (22) de la cathode. 6- Cathode selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'élément chauffant (42) est un plateau ajouré définissant un réseau de conducteurs (45) électriques. 7- Cathode selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisée en ce que l'élément chauffant (42) est réalisé en graphite pyrolitique. 8- Grille destinée à être associée à une cathode (21) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle possède une partie (24) pleine, rayonnant thermiquement, destinée à être disposée face à l'évidement (22) de la cathode (21). 9- Grille selon la revendication 8, caractérisée en ce que la partie (24) pleine, rayonnant thermiquement, a sensiblement les mêmes dimensions que l'évidement (22) de la cathode (21). 10- Grille selon l'une des revendications 8 ou 9 , caractérisée en ce que la partie (24) pleine, rayonnant thermiquement, est réalisée dans un matériau ayant une capacité de rayonnement thermique proche de celle du corps noir. 11- Grille selon la revendication 10, caractérisée en ce que la partie (24) pleine, rayonnant thermiquement, est réalisée en graphite pyrolitique. 12- Grille selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisée en ce qu'elle comporte une partie ajourée (26) autour de la partie (24) pleine, cette partie ajourée (26) étant destinée à être traversée par les électrons émis par la cathode (21). 13- Grille selon la revendication 12, sensiblement en forme de portion de sphère, caractérisée en ce que la partie ajourée (26) comporte des premiers barreaux (28) disposés selon des méridiens de la sphère et des seconds barreaux (29) selon des parallèles de la sphère. 14- Grille selon l'une des revendications 8 à 13, caractérisée en ce que la partie (24) pleine, rayonnant thermiquement, est sensiblement en calotte sphérique. 15- Grille selon l'une des revendications 8 à 14, caractérisée en ce qu'elle est est entourée d'un support périphérique (30) réalisé dans un matériau bon conducteur thermique. 16- Canon à électrons à grille, caractérisé en ce qu'il comporte une cathode (21) selon l'une des revendications 1 à 7. 17- Canon à électrons à grille selon la revendication 16 caractérisé en ce qu'il comporte une grille (23) possèdant une partie pleine (24) rayonnant thermiquement, placée en face de l'évidement (22) de la cathode (21). 18- Tube électronique caractérisé en ce qu'il comporte un canon à électrons à grille selon l'une des revendications 16 ou 17.