Brevet FR2803088A1 — publié le 20010629

L'invention se rapporte à un procédé d'assemblage d'une cathode pour canon à électrons, procédé plus particulièrement adapté pour une cathode dite imprégnée. Une cathode imprégnée comporte une partie émissive sous forme d'un corps poreux en matériau réfractaire (tungstène, molybdène rhénium) imprégné de matériau émetteur d'électrons (baryum, strontium, calcium, aluminium, scandium, osmium...), d'une coupelle métallique dans laquelle est inséré le corps émissif poreux et d'un manchon métallique fabriqué dans un matériau réfractaire comme le molybdène, le tantale ou le tungstène, manchon encore appelé jupe de cathode. A l'une des extrémités du manchon est disposée la coupelle contenant le corps émissif. A l'autre extrémité du manchon est inséré le filament de chauffage de la cathode, filament qui porte ladite partie émissive de la cathode à une température d'environ 1000 C durant son fonctionnement. La coupelle est généralement réalisée dans un matériau réfractaire comme le tantale ou le molybdène; elle permet d'isoler la partie émissive du filament de chauffage afin que les matériaux émis pendant le fonctionnement de la cathode par la partie émissive ne puisse polluer le filament et détruirele revêtement isolant de ce dernier, entraînant la destruction dudit filament, et en conséquence celle de la cathode elle-même. La pastille imprégnée constituant le corps émissif de la cathode doit rester en contact de la surface métallique de la coupelle afin d'optimiser le rendement thermique de la cathode. Un mauvais contact, laissant des intervalles entre les surfaces en regard de la pastille imprégnée et de la coupelle, réduit ce rendement thermique, ce qui a pour conséquence de réduire la densité de courant que peut émettre ladite cathode. Par ailleurs un mauvais contact entre la pastille et la coupelle va entraîner des dispersions de caractéristique d'émission inacceptable quand ces cathodes sont par exemple insérées par trois dans des canons à électrons pour tube à rayons cathodiques en couleurs. Or, du fait même des matériaux utilisés, il est difficile d'immobiliser la pastille poreuse imprégnée dans sa coupelle soit par brasage soit par soudure, de manière fiable avec une qualité de répétitivité suffisante. Plusieurs solutions sont décrites dans l'état de la technique pour résoudre cette difficulté. Le brevet EP272881 décrit l'utilisation de fils de Rhénium disposés entre la pastille et la coupelle pour améliorer la soudure de ces deux éléments. Le brevet US5128584 décrit un procédé dans lequel l'imprégnation de la pastille métallique poreuse est réalisée après l'opération de soudure par laser de la pastille et de la coupelle. Enfin l'usage d'une pièce intermédiaire destinée à jouer le rôle d'un interface améliorant la soudure entre la pastille et la coupelle est décrite dans la publication intitulée "Temperature and cutoff stabilization of impregnated cathodes parue dans les comptes rendus "SID 96 digest"' des conférences de la "Society for Information Display" qui se sont tenues en 1996 ainsi que dans la demande de brevet EP798 758. Toutes ces solutions sont coûteuses et complexes à mettre en ceuvre particulièrement lorsque les cathodes ont des dimensions très faibles, par exemple de l'ordre du millimètre pour le diamètre de la pastille émissive. L'invention propose une solution simple et économique pour assurer un maintien parfait de la pastille émissive dans sa coupelle ne présentant pas les inconvénients résultant de l'utilisation des techniques décrites dans l'état de l'art. Pour atteindre cet objet, I'invention se rapporte à un procédé d'assemblage d'une cathode pour canon à électrons, cathode comprenant une pastille de matériau émissif, une coupelle, comportant un fond et une paroi latérale, coupelle dans laquelle est insérée la pastille de matériau émissif, et une jupe métallique sensiblement cylindrique, ledit procédé comportant les étapes successives suivantes: - insertion de la coupelle dans l'une des extrémités ouvertes de la jupe métallique - soudure de la coupelle à la jupe - sertissage de l'ensemble pastille, coupelle, jupe par serrage latéral au niveau de la zone de soudure de manière à provoquer une déformation en creux de la face latérale de la pastille en regard de la paroi latérale de la coupelle. L'invention sera mieux comprise à la l'aide de la description ci-après et des dessins parmi lesquels: - la figure 1 représente une cathode imprégnée selon l'état de la technique. - Les figure 2A à 2c illustrent un premier mode de réalisation de l'invention - Les figures 3A à 3c illustrent un autre deuxième mode de réalisation de l'invention - La figure 4 est une vue en coupe d'une cathode imprégnée fabriquée selon un procédé d'assemblage conforme à l'invention et présentant une structure avantageuse pour la mise en oeuvre de l'invention Comme indiqué sur la figure 1, une cathode imprégnée comprend généralement une jupe cylindrique 2 à l'extrémité de laquelle se trouve la partie supérieure de la cathode composée de la pastille émissive 1, comportant le plus souvent du Tungstène comme matériau de base, disposée dans son support 13, le plus souvent une coupelle en Tantale ou Molybdène. A l'intérieur de la jupe 2 est inséré l'élément chauffant 5. Un cylindre sert de blindage thermique pour éviter les déperditions de la chaleur créée par l'élément chauffant 5, augmentant ainsi le rendement thermique de l'ensemble. La jupe cylindrique 2 est maintenue en position à l'intérieur du blindage 4 par des pattes 3 soudées à la fois à la jupe 2 et à l'écran thermique 4. Une des difficultés concernant l'assemblage des différents éléments de la cathode concerne la liaison de la pastille I à son support 13. Cette liaison doit être mécaniquement résistante, offrir une excellente transmission thermique et être neutre vis-à-vis des propriétés d'émission de la pastille, tout cela à des températures de travail élevées et pouvant dépasser les 1200 C. Les paramètres de stabilité en émission, de durée de vie, de temps d'allumage et de stabilité de seuil d'émission dépendent essentiellement de la tenue mécanique de la pastille avec le reste de la structure de la cathode. Or comme la pastille émissive et son support sont en matériaux réfractaires, il est extrêmement difficile d'effectuer par soudure la liaison directe des deux éléments; les nombreuses solutions divulguées dans l'état de la technique n'offrant pas par ailleurs de solution simple, fiable, économique, avec des caractéristiques de répétitivité nécessaire pour l'industrialisation d'un élément clé pour un tube à rayons cathodiques. Pour obtenir un contact parfait entre la coupelle en métal réfractaire 13 et la pastille émissive 1, contact qui permet d'optimiser la conduction thermique entre l'élément chauffant 5 et la pastille il faut réaliser une soudure liant les matériaux entre eux sans détruire la porosité de la pastille et sans modifier les caractéristiques d'émission, ce qui interdit une soudure à trop haute température. Selon une méthode d'assemblage conforme à l'invention, illustrée par les figures 2A à 2c la pastille émissive 1, constituée par exemple par du tungstene poreux obtenu par frittage, est insérée dans son support, une coupelle 13 présentant à sa périphérie une collerette évasée 14; cette collerette est principalement destinée à faciliter l'insertion de la pastille émissive à l'intérieur de la coupelle. L'ensemble pastille/coupelle est ensuite inséré dans l'une des extrémités ouvertes de la jupe de cathode 2. La collerette 14 vient en butée sur le bord de ladite extrémité de la jupe 2. La pastille est maintenue de manière conventionnelle dans sa coupelle pendant la phase de soudure, en étant disposée par exemple entre un élément presseur 21 et un support fixe 22; l'élément presseur vient appuyer sur la surface libre de la pastille alors que la surface libre de la coupelle s'appuie sur le support fixe 22. La soudure s'effectue en 19, par exemple par faisceau laser, préférentiellement au niveau de la collerette car c'est l'endroit o l'on est sûr que les deux parties à souder (2 et 13) sont effectivement en contact l'une avec l'autre. En effet, le jeu nécessaire à l'insertion de la coupelle dans la jupe cylindrique fait qu'il existe un jeu mécanique entre les deux surfaces en regard; pendant la soudure laser ce jeu pourrait provoquer le perçage de la jupe sans assurer une soudure effective. La soudure va ponctuellement créer une boule métallique 23 qui va en partie s'écouler dans l'intervalle entre la coupelle et la jupe. Plusieurs points de soudure 23 sont ainsi répartis autour de l'extrémité de la jupe 2. Dans une configuration avantageuse, trois points de soudure disposés à 120 I'un de l'autre assurent un bon maintien mécanique de la coupelle 13 dans la jupe 2. Dans la phase de sertissage ultérieure, illustrée par la figure 2B, l'ensemble pastille émissive 1/coupelle 13/ jupe 2 est serré par des éléments presseurs 20 venant effectuer un serrage latéral de cet ensemble. Le profil de l'extrémité 25 des éléments presseurs venant s'appuyer sur la périphérie de I'ensemble pastille/coupelle/jupe a une forme complémentaire de celle de la surface extérieure dudit ensemble. Le sertissage permet de plaquer la surface interne de la coupelle sur l'ensemble de la surface latérale de la pastille. Au niveau des points de soudure, le sertissage, du fait de l'excès de matière constituant la boule 23 va provoquer une déformation locale en creux 24 de la pastille poreuse 1. Cette déformation va ancrer la boule de soudure dans la paroi latérale de la pastille et bloquer mécaniquement cette dernière à l'intérieur de la coupelle ainsi que le montre la figure 2C. Cette méthode permet un contrôle final simple en vérifiant le degré d'écrasement des points de soudure par un contrôle dimensionnel non destructif, visuel par exemple, alors que la soudure ou brasure entre pastille et coupelle nécessite un contrôle destructif pour accéder à la partie cachée objet dudit contrôle. Dans un mode de réalisation alternatif, illustré par les figures 3A à 3C, le sertissage s'effectue avec des éléments presseurs présentant un profil d'extrémité 25 choisi de telle manière que ce soit la zone autour de l'extrémité de la jupe 2 sur laquelle s'appuie la collerette de la coupelle qui soit la plus écrasée après sertissage. Ainsi les bords de la coupelle et l'extrémité de la jupe 2 repoussent localement la surface latérale de la pastille émissive de telle manière qu'après sertissage, la pastille présente sur sa surface latérale une déformation en creux 24 provoquée par la pénétration des bords de la coupelle et de la jupe. Ce procédé présente l'avantage de permettre une soudure de la jupe à la coupelle moins critique en ce que le creux 24 n'est plus lié à la dimension de la boule 23 qui peut varier avec les conditions de soudure ou même d'éviter la phase de soudure elle-même. Les deux modes de réalisations précédents ne s'excluent pas l'un l'autre et peuvent être avantageusement combinés pour améliorer la tenue de la pastille dans la coupelle. Pendant la phase de sertissage, le matériau poreux constitutif de la pastille va être compressé et Il peut être nécessaire de s'assurer que le pourtour du matériau constitutif de la coupelle absorbe cette compression et puisse fluer suffisamment pendant le sertissage, sans quoi la compression exercée sur la pastille émissive peut provoquer la casse de celle-ci et détériorer définitivement la cathode. La propriété intrinsèque de porosité du matériau de la pastille lui permet d'absorber une partie de la compression avec comme effet une diminution de cette porosité dans la région périphérique. En addition, le fluage du matériau de la coupelle va avoir tendance à remplir les interstices entre les surfaces en regard de la pastille et de la coupelle. Ce fluage va donc améliorer le contact entre la pastille et la coupelle et en conséquence optimiser le transfert thermique de la cathode. Grâce au support inférieur 22, le contact thermique est lui aussi assuré entre la pastille 1 et la coupelle 13. Pour permettre le fluage d'une quantité importante du matériau constitutif de la coupelle, il est ainsi possible de prévoir sur le support fixe 22 un dégagement, disposé par exemple sur la périphérie de sa surface donnant comme résultat une zone en creux 30, comme illustré par la figure 4. Cette zone en creux permet de libérer les contraintes et d'assurer une structure de cathode rigide pendant la durée de vie du tube. Cette méthode d'assemblage des éléments constitutifs de la cathode présente plusieurs autres avantages: - elle ne nécessite pas de phase de soudure de la pastille émissive à la coupelle et évite ainsi que l'opération de soudure ne détériore l'imprégnant contenu dans la pastille. - elle permet d'accepter un jeu dimensionnel entre pastille et coupelle puisque le jeu est absorbé par le sertissage; ce jeu permet des tolérances dimensionnelles sur la pastille et la coupelle ce qui facilite leur fabrication - elle réduit à deux opérations simples, soudure puis sertissage, le nombre d'opérations d'assemblage, opérations par ailleurs susceptibles d'être réalisées sur une même machine - en améliorant le transfert thermique par conduction entre le filament et la pastille au travers de la coupelle, elle réduit le temps d'allumage de la cathode, critère commercial important pour les tubes à rayons cathodiques dans lesquels les cathodes ainsi assemblées sont les sources de faisceaux électroniques. REVENDICATIONS 1/ Procédé d'assemblage d'une cathode pour canon à électrons comprenant une pastille 1 de matériau émissif, une coupelle 13 dans laquelle est insérée la pastille de matériau émissif, une jupe métallique 2 sensiblement cylindrique, ledit procédé comportant les étapes successives suivantes: - insertion de la coupelle dans l'une des extrémités ouvertes de la jupe métallique - sertissage de l'ensemble pastille - coupelle jupe par serrage latéral de manière à provoquer une déformation en creux 24 de la face latérale de la pastille. 2/ Procédé d'assemblage d'une cathode pour canon à électrons selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'il comprend en outre une phase de soudure de la coupelle à la jupe et que le serrage latéral se fait au niveau de la zone de soudure coupelle13 /Jupe 2. 3/ Procédé d'assemblage d'une cathode pour canon à électrons selon la revendication précédente caractérisé en ce que la déformation en creux est réalisée par écrasement des points de soudure contre la face latérale de la pastille 4/ Procédé d'assemblage selon l'une des revendications précédentes 2 ou 3 caractérisé en ce que la soudure de la coupelle à la jupe est réalisée en au moins trois points / Procédé d'assemblage d'une cathode pour canon à électrons selon la revendication 1 caractérisé en ce que la déformation en creux 24 est réalisée par un profil adapté 25 des éléments presseurs assurant le sertissage 6/ Cathode imprégnée assemblée selon l'une quelconque des revendications précédentes. 7/ Cathode imprégnée selon la revendication précédente caractérisée en ce que le matériau constituant la coupelle est principalement un matériau réfractaire 8/ Cathode imprégnée selon l'une des revendications 6 ou 7 précédentes, caractérisée en ce que la face interne de la coupelle comporte une zone en creux 30 permettant le fluage du matériau émissif durant le sertissage. 9/ Tube à rayons cathodiques comportant un canon à électrons dont au moins une des cathodes est conforme à l'une quelconque des revendications 6 à 8.