Brevet FR2814277A1 — publié le 20020322

L'invention concerne un canon à électrons pour tube à rayons cathodiques incorporant un système de cathode dite à micro pointes et 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 thermoiniques 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 reproduites 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. De par le fait que l'angle de déflexion des faisceaux électroniques qui balaient l'écran du tube reste sensiblement autour de 110 , cette profondeur augmente rapidement avec la taille de la diagonale dudit écran, alors que le choix actuel du consommateur évolue vers des écrans de dimensions Importantes, mais avec une profondeur minimale. L'utilisation de cathodes froides à micro pointes, émissives par effet de champ, pour former les faisceaux électroniques en association avec une structure d'électrodes adaptée permet de diminuer de plusieurs centimètres la longueur du canon par rapport à un canon selon l'état de la technique. Cependant l'angle d'émission du faisceau électronique issu de telles cathodes est important, de l'ordre de 300 contre quelques degrés pour des cathodes thermoïoniques standards ce qui rend difficile l'utilisation de cette technologie dans un canon à électrons pour tube à rayons cathodiques en compliquant fortement le système optique à mettre en oeuvre à la suite de la cathode pour focaliser le faisceau d'électrons afin de réduire son diamètre pour le rendre compatible avec les exigences de résolution d'image d'un tube à rayons cathodiques. L'objet de la présente invention est de remédier à cet inconvénient en proposant une structure de cathode comportant une optique intégrée à géométrique planaire permettant de maîtriser la forme du faisceau d'électrons issu de la cathode, offrant un faible encombrement et susceptible d'être fabnquée par les techniques de la micro électronique. Pour cela un canon selon l'invention comprend au moins une cathode émissive comportant : - Une première électrode de polarisation encore appelée conducteur cathodique - Au moins un réseau de micropointes disposées sur le conducteur cathodique et électriquement reliées à celui-ci, destinées à émettre par effet de champ un faisceau d'électrons dans une direction sensiblement perpendiculaire au plan du conducteur cathodique - Une grille d'extraction disposée au-dessus du conducteur cathodique et isolée de celui ci par une couche d'isolant électrique, la grille d'extraction comportant une zone ajourée disposée au-dessus du réseau de micropointes ladite zone ajourée étant entourée par une bordure périphérique pleine. caractérisée en ce que dans au moins une direction du plan de la grille, la bordure périphérique s'étend sur une largeur comprise entre10% et 40% de la largeur de la grille d'extraction suivant cette même direction, de part et d'autre de la zone ajourée. L'invention ainsi que ses multiples avantages seront mieux compris à l'aide de la description ci-après et des dessins parmi lesquels : La figure 1 est une vue en coupe d'une cathode a micro pointes émissives par effet de champ selon l'état de la technique La figure 2 est un graphe montre les effets de l'invention sur la divergence du faisceau d'électrons issu d'une cathode à micro pointes Les figures 3a et 3b représentent, en coupe et en perspective, une structure de cathode à micro pointes selon un premier mode de réalisation de l'invention La figure 4 représente, en coupe et en perspective, une structure de cathode à micro pointes selon un deuxième mode de réalisation de l'invention La figure 5 illustre une troisième mode de réalisation de l'invention Les figures 6a et 6b montrent en coupe les effets sur la focalisation du faisceau du troisième mode de réalisation de l'invention. Comme indiqué sur la figure 1, une cathode à micro pointes émissives par effet de champ selon l'état de la technique comporte deux électrodes de polarisation 5 et 10 placées l'une au-dessus de l'autre à une distance de l'ordre du micron L'électrode 5 ou conducteur cathodique permet la polarisation des micropointes 12 qui sont formées sur le conducteur cathodique. Le conducteur cathodique est déposé sur un substrat 2, généralement en verre assurant une rigidité mécanique à la cathode. Une couche résistive 7 peut être déposée entre les micropointes et le conducteur cathodique 5 pour améliorer l'uniformité d'émission de chaque micro pointe. Une deuxième électrode encore appelée grille d'extraction 10 est disposée au dessus du conducteur cathodique 5 duquel elle est isolée par une couche d'isolant électrique 8. La grille d'extraction est ajourée au dessus de chaque micro pointe qui émet un microfaisceau d'électron 20 par l'application d'une tension positive de quelques dizaines de volts sur la grille par rapport à la tension du conducteur cathodique. Une anode disposée dans le canon à électrons incorporant cette cathode accélère les électrons émis grâce à une tension de l'ordre du millier de volts. Dans une configuration standard, la brille d'extraction recouvre complètement le conducteur cathodique, à l'exception de la zone ajourée 21. La divergence des faisceaux 20 par rapport à la perpendiculaire au plan de la grille d'extraction est dans cette configuration de l'ordre de 30 . Pour diminuer cet angle d'émission l'invention propose de limiter par gravure, la surface de la grille d'extraction de manière à ce qu'elle ne déborde la zone ajourée 21 que d'une valeur déterminée. Outre que cela diminue t'impédance capacitive de la cathode, on s'est aperçu qu'ainsi, le potentiel électrique du conducteur cathodique 5 influence la trajectoire des électrons émis par les micro pointes en provoquant la focalisation des micro faisceaux 20. Cet effet est illustré par la figure 2 montrant les variations au niveau du plan de l'anode des valeurs moyenne et maximale du rayon du faisceau global d'électrons issu d'une cathode à micro pointes de forme circulaire en fonction de la largeur constante de la bordure 22 entourant la partie ajourée 21 ; le rayon maximum correspond au plus grand rayon d'interception avec le plan de l'anode, le rayon moyen correspond au rayon pour lequel la densité de courant linéaire du faisceau global est maximum. On peut voir qu'tl existe une valeur optimale de la valeur de la largeur de la bordure correspondant à une focalisation optimisée du faisceau électronique. L'expérience montre que cette valeur optimum varie en fonction de la surface émissive et de sa géométrie, et qu'en particulier on peut privilégier une focalisation dans une direction parallèle au plan de la grille d'extraction. Cependant, en fonction des différents modes de réalisation de l'invention, impliquant différentes surfaces et géométries, l'expérience montre que l'optimisation de la focalisation dans au moins une direction parallèle au plan de la grille d'extraction peut être obtenue pour une valeur de la largeur de la bordure 22 dans cette même direction, comprise dans l'intervalle 10%-40% de la largeur de la grille d'extraction suivant cette même direction. En deçà de 10 % l'effet positif de la focalisation diminue rapidement du fait d'un phénomène de surfocatisation des microfaisceaux périphériques et au dessus de 40% cet effet diminue progressivement jusqu'à ne plus se faire sentir lorsque la largeur de la bordure devient importante par rapport à la largeur de la zone ajourée, c'est-à-dire au delà d'environ cinq fois ladite largeur 21. La focalisation engendrée par l'effet du potentiel du conducteur cathodique 5 est cependant plus efficace sur les micropointes situées au plus près de la bordure 22 qu'au centre de la zone ajourée. Cette constatation conduit à différents modes de réalisation de l'invention en fonction des géométries et surfaces émissives désirées. Dans un premier mode de réalisation Illustré par les figures 3a et 3b, la gnlle d'extraction 10 est sensiblement circulaire, de même que la zone ajourée 21. La largeur 22 de la bordure, réalisée par gravure chimique de la grille d'extraction a pour valeur la distance, selon un diamètre de la zone ajourée, entre le bord externe 26 du dernier orifice de la dite zone et le bord 25 de la grille. Comme montré sur la figure 3a, les angles d'émissions des microfaisceaux 20 les plus extérieurs vont fortement subir l'influence du conducteur cathodique 5 et leurs angles seront fortement réduits. Cependant si la surface émissive de la cathode est importante, les faisceaux les plus proches du centre de la zone ajourée seront plus faiblement focalisés. Il en résultera dans tous les cas une réduction du rayon moyen du faisceau global émis par la cathode. Dans un second mode de réalisation illustré par la figure 4, la zone émissive de la cathode a une structure linéaire, c'est-à-dire composée de micro pointes toutes alignées suivant un même axe D, la grille d'extraction 10 présentant alors une forme de barrette rectangulaire s'étendant suivant le même axe. Dans cette configuration, toutes les micropointes subiront de la même façon l'influence du conducteur cathodiques et les micro faisceaux émis seront identiquement focalisés dans les plans perpendiculaires à l'axe D. Plusieurs zones émissives linéaires peuvent être avantageusement disposées les unes à coté des autres pour augmenter la surface émissive totale de la cathode. Dans un autre mode de réalisation non représenté, les micropointes sont disposées de façon circulaire la grille d'extraction ayant alors une forme de couronne. Plusieurs cercles concentriques de micro pointes peuvent être ainsi juxtaposés avec les couronnes d'extraction associées disposées au-dessus. Cette structure présente l'avantage d'offrir une focalisation suivant des directions différentes d'un microfaisceau 20 à l'autre ce qui permet d'obtenir un faisceau global issu de la cathode focalisé de façon identique dans toutes les directions d'un plan perpendiculaire à sa trajectoire. Pour les applications qui nécessitent des surfaces émissives étendues et des zones émissives dont les propriétés doivent être uniformes selon toutes les directions du plan de cathode, la focalisation obtenue par les modes de réalisation précédents n'est pas suffisante. Il est alors avantageux d'adjoindre aux structures de cathodes précédentes une électrode de focalisation supplémentaire. La figure 5 montre un mode de réalisation d'une cathode selon l'invention dans lequel la focalisation du faisceau global issu de la cathode est optimisé par l'adjonction d'une électrode de focalisation supplémentaire 30 entourant la zone ajourée et située dans un plan plus proche de celui de la grille d'extraction que le conducteur cathodique 5. Afin de simplifier le procédé de fabrication de la cathode, l'électrode de focalisation 30 peut être située au même niveau que la grille d'extraction et gravée, par exemple par gravure chimique d'un dépôt métallique disposé sur la couche isolante 8, en même temps que la dite grille. Dans le cas d'une grille d'extraction 10 sensiblement circulaire, l'électrode de focalisation adopte alors une forme de couronne circulaire. Cette électrode 30 doit être polarisée à une tension inférieure à celle de la grille d'extraction pour obtenir l'effet de focalisation des microfaisceaux. Dans l'exemple de la figure 6a, on a représenté les équipotentielles 40 engendrées par la structure de la cathode et les différents potentiels appliqués sur les électrodes constituant la cathode ; la cathode est insérée dans un canon à électrons et le faisceau électronique est rendu sensiblement parallèle à l'axe perpendiculaire au plan de cathode grâce à un anneau de focalisation 30 porté à un potentiel de-10v par rapport au conducteur cathodique 5, la grille d'extraction étant à un potentiel de 80v et l'anode accélératrice 41 à 1000v. De cette façon il est possible d'obtenir un faisceau global d'électrons homogène, l'influence conjuguée de la focalisation par effet de la bordure 22 et par l'anneau de focalisation 30 permettant d'avoir une focalisation à peu identique non seulement sur les microfaisceaux périphériques mais également sur les micro faisceaux les plus centraux. Dans un exemple de réalisation d'une cathode selon cette configuration, la largeur de la surface émissive circulaire étant choisie entre 240u et 360p, la largeur optimum de la bordure 22 entourant la zone ajourée de la grille d'extraction se situe autour de 1 80, u, pour une épaisseur d'isolant 31 d'environ 10u entre l'anneau de focalisation 30 et la grille d'extraction. Si l'épaisseur d'isolant est plus importante, l'influence de l'anneau de focalisation 30 est moins importante et peut être renforcée au niveau du faisceau électronique en diminuant la largeur de la bordure 22. Inversement diminuer l'épaisseur de l'isolant 31, impose d'augmenter la largeur de la bordure 22 pour obtenir le même effet de focalisation sur le faisceau électronique, sans quoi il peut y avoir comme illustré par la figure 6b un effet de surfocalisation des microfalsceaux périphériques qui conduisent à l'élargissement final du faisceau global issu de la cathode. REVENDICATIONS 1/Canon à électrons pour tube à rayons cathodiques comprenant au moins une cathode émissive comportant. - une première électrode de polarisation (5) encore appelée conducteur cathodique, - au moins un réseau de micropointes (12) disposées sur le conducteur cathodique et électriquement reliées à celui-ci, destinées à émettre par effet de champ un microfaisceau d'électrons (20), - au moins une grille d'extraction (10) disposée au dessus du conducteur cathodique et isolée de celui ci par une couche d'isolant électrique (8), la dite grille d'extraction comportant une zone ajourée (21) disposée au dessus du réseau de micropointes ladite zone ajourée étant entourée par une bordure périphérique leine (22), caractérisée en ce que dans au moins une direction du plan de la grille, la bordure périphérique s'étend sur une largeur comprise entre10% et 40% de la largeur de la grille d'extraction suivant cette même direction, de part et d'autre de la zone ajourée. 2/Canon à électrons selon la revendication précédente caractérisé en ce que la grille d'extraction (10) a une forme sensiblement circulaire 3/Canon à électrons selon la revendication 1 caractérisé en ce que la brille d'extraction (10) a une forme linéaire, les micropointes étant alignées suivant un même axe 4/Canon à électrons selon la revendication 1 caractérisé en ce que la grille d'extraction (10) a une forme de couronne 5/Canon à électrons selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cathode comporte en outre une électrode de focalisation (30) entourant la grille d'extraction et portée à un potentiel inférieur à celui de la grille 6/Canon à électrons selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'électrode de focalisation est disposée sur le même plan que la brille d'extraction 7/Canon à électrons selon la revendication précédente caractérisée en ce que l'électrode de focalisation et la grille d'extraction sont réalisées par gravure chimique durant la même étape du procédé de fabrication de la cathode. 8/Tube à rayons cathodiques comportant un canon à électrons conforme à l'une quelconque des revendications précédentes