Brevet FR2803431A1 — publié le 20010706

L'invention concerne un canon à électrons pour tube à rayons cathodiques incorporant un système de cathode dite à micro pointes plus particulièrement la structure dudit canon la mieux adaptée à l'utilisation de ce type de cathode. Un canon à électrons conventionnel, utilisant une ou des cathodes thermoïniques à filaments chauffants possède après la cathode une succession d'électrodes nécessaires pour former le faisceau électronique puis pour le focaliser en permanence sur l'écran du tube sur lequel sont reproduite les images à visualiser. Cette succession d'électrodes fait que le canon présente une longueur importante qui participe à la valeur de la profondeur finale du tube. par le fait que l'angle de déflexion des faisceaux électroniques qui balaient l'ecran du tube reste sensiblement autour de 110 , cette profondeur augmente rapidement avec la taille de la diagonale dudit écran, alors que le choix actuel d consommateur évolue vers des écrans de dimensions importantes, mais avec une profondeur minimale. L'invention se propose d'amener une solution à ce problème par l'utilisation de cathodes à micro pointes pour former les faisceaux électroniques, cathodes i en association avec une structure d'électrodes adaptée permet de diminuer plusieurs centimètres la longueur du canon par rapport à un canon selon l'etat de la technique. Pour cela le canon selon l'invention comprend moins une cathode à micropointes pour émettre un faisceau d'électrons et système optique associé à cet émetteur pour mettre en forme le faisceau vue du balayage de l'écran dudit tube à rayons cathodiques, caracterisé en que le système optique comprend les éléments suivants: - des moyens de collimation du faisceau d'électrons issu de la cathode à micro pointes - des moyens de focalisation du faisceaux collimaté consistant en au moins deux électrodes formant lentille électrostatique L'invention ainsi que ses multiples avantages seront mieux compris à l'aide de la description ci-aprés et des dessins parmi lesquels La figure 1 est une vue de coté d'un canon à électrons selon l'état de la technique. La figure 2 représente, en coupe, une structure de cathode à micro pointes La figure illustre le principe de collimation d'un faisceau d'électrons. La figure montre un premier mode de réalisation de l'invention La figure représente un deuxième mode de réalisation de l'invention. La figure illustre un mode de réalisation particulier des moyens de collimation Comme indiqué la figure 1, un canon à électrons selon l'état de la technique comprend au moins une cathode thermo-émissive 1 chauffée par un filament 2, à une température suffisamment haute pour permettre l'émission d'électrons. Cette émission forme un nuage d'électrons qu'il est nécessaire d'accélérer et de contrôler afin de le transformer en un faisceau. Pour cela les électrodes 3 et 4 forment avec la cathode une triode , dans l'intervalle de laquelle les électrons vont tous passer par une zone appelée "cross over point" avant diverger à nouveau et être focalisés par exemple par l'intermédiaire électrodes 5, 6, 7 formant lentille de pré focalisation et 7, 8 formant lentille de focalisation principale. L'utilisation de structure de cathode à micro pointes permet de raccourcir la longueur du canon nécessaire à la formation d'un faisceau électronique adapté à balayer l'écran d'un tube à rayons cathodiques. La figure 2 illustre, dans une vue en coupe effectuée perpendiculairement au plan de cathode, une structure connue qui peut être utilisée à cette fin. La cathode 10 comprend un réseau de micro pointes 11 reliées entre elles par une électrode conductrice 12 déposée sur un substrat 13 par exemple en verre, lesdites micro pointes étant généralement portées à un potentiel de référence Vp. Une couche isolante 15 percée de trous dans lesquels se trouvent les micro pointes 11 sépare l'électrode conductrice 12 d'une grille 14 portée à un potentiel d'extraction Vg des électrons par rapport à celui des micro pointes .Les électrons sont alors émis avec une énergie cinétique initiale égale à -e.(Vg-Vp). Une telle cathode est par exemple décrite en détail dans le brevet français FR2679653, notamment en ce qui concerne les matériaux constituant une telle cathode. Cependant les électrons d'une telle cathode sont émis dans un cone d'émission important ce qui rend difficile l'utilisation de cette cathode dans un canon à électrons pour tube à rayons cathodiques en compliquant fortement le système optique à mettre en oeuvre pour former le faisceau. La présente invention permet l'utilisation de ce type de cathode en disposant après la cathode des moyens de collimation des électrons émis par ladite cathode afin que la trajectoire de ces électrons soit sensiblement parallèle à l'axe du canon. Comme illustré par la figure 3, ces moyens de collimation sont par exemple constitués une électrode percée d'un orifice 21 traversé par le faisceau d'électrons emis par les micro pointes 11. L'orifice 21 est obturé par exemple par un treillis métallique 22 pratiquement transparent pour les électrons. L'électrode 20 est portée à un potentiel Va supérieur au potentiel de grille Un électron émis sur un axe de propagation Z avec une énergie Vg (eV) un angle de divergence maximum de OR,ax , soumis à un champ électrique accélérateur constant parallèle à l'axe Z, atteint une position radiale R a une distance d de la grille 14 ; à cette distance d est disposée l'électrode de collimation portée au potentiel Va. Apres traversée de l'électrode de collimation, l'angle OS entre la trajectoire de l'électron direction de l'axe Z va s'exprimer de la façon connue suivante Dans une structure de canon adapté pour être utilisé dans un tube à rayons cathodiques, l'électrode de collimation est portée à un potentiel de 10kv et disposée à distance de 5mm de la grille d'extraction 14, cette dernière étant portée à un potentiel de 100 volts. II en résulte que si l'ouverture 21 de la grille de collimation est sensiblement circulaire avec un rayon de 0.525mm, l'angle maximum de divergence du faisceau d'électrons ' la sortie de l'électrode de collimation a été réduit à OS = 3.3 . Le treillis métallique qui obture l'ouverture de l'électrode de collimation peut avantageusement être remplacé par une membrane fine réalisée dans un matériau composite de type Sic, SiNX, BN, BXC , dont la permittivité diélectrique supérieure à celle de l'air . Ce type de membrane , dont l'épaisseur de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres à quelques micromètres, transparent aux électrons d'énergie suffisante, de l'ordre de quelques elle permet de diminuer la courbure des équipotentielles au voisinage l'orifice de l'électrode de collimation pour obtenir un effet identique à celui du treillis métallique précédent. Une fois obtenu un faisceau d'électrons dont la trajectoire sensiblement parallèle à l'axe de propagation Z, il suffit alors de focaliser faisceau sur l'écran du tube à rayons cathodiques en disposant à la suite de l'électrode de collimation 20 moins une lentille de focalisation Une structure complète de canon à électrons selon l'invention est ainsi illustrée par la figure 4. Dans ce premier mode de réalisation, le faisceau d'électrons collimaté traverse une lentille de focalisation principale constituée par deux électrodes 30 et 31. L'électrode finale 31 est portée à une haute tension, par exemple la tension d'anode, et l'électrode 30 à un potentiel inférieur VF dit potentiel de focalisation. Afin de simplifier la structure du canon, l'électrode 30 et l'électrode collimation peuvent être connectées l'une à l'autre. Dans un deuxieme mode de réalisation illustré par la figure 5, la structure de formation de faisceau d'électrons selon l'invention est complétée par - un étage de préfocalisation constitué par une lentille unipotentielle formee par les électrodes successives 30, 32, 33, les électrodes 30 et étant portées à un potentiel VF de focalisation, l'électrode 32 à un potentiel intermédiaire plus faible. - étage de focalisation principale constitué par une lentille bipotentielle formée les électrodes 33 et 31, l'électrode 31 étant portée à une haute tension, par exemple la tension d'anode. Les tubes rayons cathodiques actuels fonctionnent avec une tension d'anode de l'ordre 27Kv à 35Kv. Suivant la structure du canon à électrons dans laquelle utilisé un dispositif de formation d'un faisceau électronique selon l'invention, il sera préférable de choisir une tension à appliquer sur l'electrode de collimation comprise entre 5 et 15Kv, soit en pourcentage de tension d'anode entre 15% et 55% de cette tension. Ces exemples ne sont pas limitatifs, l'invention peut être utilisée dans un canon à électrons comportant par exemple un étage supplémentaire de focalisation dynamique du faisceau sur tout l'écran du tube. De même la structure de l'invention est aussi bien adaptée à des canons à électrons mono faisceau pour tube monochrome, comme à des canons à trois faisceaux pour tubes à rayons cathodiques en couleurs, l'électrode de collimation comportant alors trois ouvertures obturées par un treillis ou une membrane. De cette façon la longueur de la partie basse du canon à électrons qui est généralement d'au moins 2 cm peut être réduite d'au moins 1 cm. Par ailleurs la structure de l'électrode de collimation, comportant des ouvertures obturées soit par un treillis métallique soit par une membrane matériau composite est telle que qu'elle joue un rôle de protection de la cathode elle même vis à vis des arcs électriques et du bombardement ioniques des ions positifs revenant de l'anode qui en provoqueraient la destruction pendant le fonctionnement du tube. Comme illustré par la figure 6, la surface du treillis ou de la membrane obturant l'ouverture de l'électrode de collimation peut présenter une surface courbe 40 faisceau d'électrons incident ; cette caractéristique permet d'apporter degré de liberté supplémentaire dans la conception de l'optique électronique associée au canon, en fournissant par exemple un effet de pré focalisation du faisceau. REVENDICATIONS 11 Canon à électrons pour tube à rayons cathodiques comportant moins une cathode à micropointes (10) pour émettre un faisceau d'électrons et un système optique associé à cet émetteur pour mettre en forme le faisceau en vue du balayage de l'écran dudit tube à rayons cathodiques, caractérisé en ce que le systeme optique comprend les éléments suivants: - moyens de collimation (20, 21, 22) du faisceau d'électrons issu la cathode à micropointes - moyens de focalisation (30, 31, 32, 33) du faisceaux collimaté consistant en au moins deux électrodes formant lentille électrostatique 21 Canon à électrons selon la revendication précédente caractérisé ce que les moyens de collimation comportent une électrode portée à potentiel intermédiaire entre la tension de grille de la cathode à micro pointes et la tension la plus élevée appliquée sur l'une des électrodes de lentille électrostatique 31 Canon à électrons selon la revendication précédente caractérisé ce que les moyens de collimation comportent une électrode (20) portée à potentiel choisi entre 15% et 55 % de la tension la plus élevée appliquée sur la lentille électrostatique 4/Canon à électrons selon l'une des revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que le faisceau d'électrons généré par la cathode à micro pointes traverse l'électrode de collimation au niveau d'une ouverture (21) obturée partiellement par un treillis (22). Canon à électrons selon l'une des revendications 2 ou 3 caractérisé en ce le faisceau d'électrons généré par la cathode à micro pointes traverse l'electrode de collimation au niveau d'une ouverture obturée une membrane diélectrique Canon à électrons selon la revendication précédente caractérisé ce que membrane diélectrique est en matériau composite Canon à électrons selon l'une des revendications 4 à 6 caractérisé en ce le treillis ou la membrane présentent une surface courbe (40) au faisceau d'électrons incident. 81 Canon à électrons selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que l'électrode de collimation (20) et l'une des électrodes (30) de la lentille électrostatique sont au même potentiel. 91 Tube à rayons cathodiques comportant un canon à électrons conforme à l'une quelconque des revendications précédentes