Brevet FR2821205A1 — publié le 20020823

La présente invention a pour objet une structure émissive de cathode pour canon à électrons de tube à rayons cathodiques, s'appliquant à toute cathode chaude qu'elle soit à oxydes ou imprégnée. Un canon pour tubes à rayons cathodiques comporte une ou plusieurs cathodes pour émettre un ou plusieurs faisceaux électroniques destinés à illuminer un écran sur lequel sont déposés des matériaux luminescents afin d'y former une image. Le ou les faisceaux sont mis en forme par une succession d'électrodes métalliques G1, G2, G3... percées d'orifices pour laisser passer lesdits faisceaux. La surface émissive d'une cathode est une région recouverte d'un composé émissif à base de Baryum. Ce peut être le disque émissif d'une cathode à oxyde faisant face à la première électrode du canon ou la surface avant de la pastille imprégnée d'une cathode imprégnée. Durant le fonctionnement du tube on a noté un problème d'émission parasite des électrodes qui serait causé par le baryum contenu dans les parties émissives des cathodes, le baryum s'évaporant de la cathode et pour se déposer sur les électrodes environnantes. Le baryum a des propriétés comme source d'électrons lorsqu'il est déposé sur des surfaces métalliques à température suffisamment haute, c'est pourquoi un dépôt de baryum peut provoquer une émission parasite émise par la surface d'une électrode du canon à électrons. Ce problème a plusieurs conséquences sur le fonctionnement du tube à rayons cathodiques qui sont considérées comme autant de défauts générant un tube déchet : -des images parasites sur l'écran lorsque les électrons parasites atteignent l'écran, particulièrement lorsque le baryum se dépose sur les parois des trous d'électrodes et autour. -des fuites électriques entre les électrodes lorsque les électrons parasites atteignent une électrode et notamment, lorsque les électrons parasites émis de la surface de la deuxième électrode G2 atteignent l'électrode G3 de pré focalisation, on constate un courant de fuite électrique entre G2 et G3, et éventuellement aussi une image parasite sur l'écran lorsque le baryum se dépose sur les parois des trous de G2 et sur les rebords de ces trous qui font face à G3. Cependant ces propriétés d'émission parasite peuvent être dégradées si un autre matériau présent dans le métal constituant l'électrode se combine au baryum, ce matériau étant, par exemple le carbone : C, le soufre S, uminium AI ou le matériau étant volontairement placé en couche sur l'électrode par exemple l'or Au, le zirconium, Zr, le carbone C, le hafnium Hf, ou l'oxyde de titane TiO2). Le brevet US4263528 décrit une solution dans laquelle une couche de nitrure de bore est déposée sur les électrodes dont on veut réduire l'émission parasite. Plus précisément cette couche de 1 micron de nitrure de bore est déposée sur une sous-couche de graphite pyrolytique déposée préalablement. Le principe de la présente invention, réside dans le fait que le matériau choisi est mélangé au baryum dans le composé émissif de la cathode pour qu'il se dépose en même temps que lui. L'avantage obtenu est que l'action du matériau se prolonge au cours du fonctionnement du tube à rayons cathodiques pendant la vie de ce produit chez son utilisateur, au contraire de solution classique décrite dans l'état de la technique ci-dessus et dans laquelle le matériau finit par être recouvert totalement de baryum et perd ainsi son effet. Le canon à électrons selon l'invention comprend au moins une cathode et une succession d'électrodes métalliques, la cathode comportant une partie émissive faite d'un mélange de matériaux comprenant du baryum caractérisé en ce que la partie émissive comprend en outre un matériau co-évaporant, de manière à constituer avec le baryum un mélange déposé sur les orifices des électrodes situées à proximité, de manière à diminuer les émissions parasites du barium. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-après et des dessins parmi lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe de la partie basse d'un canon à électrons incorporant une cathode selon l'état de la technique. - ! a figure 2 Illustre le phénomène de fuite électrique se produisant dans un canon selon l'état de la technique. - la figure 3 illustre un mode de réalisation de l'invention - la figure 4 illustre un deuxième mode de réalisation de l'invention Une cathode selon l'état de la technique, comme illustré par la figure 1, comprend une partie émissive 1 sous forme d'une couche de matériau émissif pour une cathode à oxydes ou d'une pastille imprégnée de matériaux émissifs dans le cas d'une cathode dite imprégnée. Le matériau émissif est supporté par un capuchon de cathode 2, disposé à l'une des extrémités d'une jupe cylindrique 3 ; la jupe 3 s'étend selon une direction Z perpendiculaire à la surface émissive de 1. La cathode est supportée dans la structure du canon par un manchon 7 relié de manière conventionnelle aux autres parties du canon à électrons. Une première électrode G1 10, appelée électrode de contrôle est disposée prés de la cathode, suivie d'une électrode dite d'écran G2 et d'une électrode de pré focalisation G3. Ces électrodes possèdent des ouvertures, 20, 21,22 pour permettre le passage du faisceau d'électrons issu de la partie émissive 1 de la cathode. La figure 2 illustre les effets de l'évaporation du baryum durant le fonctionnement de la cathode. Le baryum vient se déposer en couche 30 autour des orifices des électrodes G1 (10) et G2 (11). Les propriétés émissives du baryum déposé sur les parois des orifices des électrodes portées à haute température pendant le fonctionnement du canon font que des courants de fuite 32 apparaissent entre les bords 31 de l'orifice de G2 faisant face à l'électrode de pré-focalisation G3 (12) et ladite électrode G3. Afin de pallier ces effets, l'invention propose d'utiliser une cathode comportant un matériau co-évaporant avec le baryum et de manière à réduire les propriétés émissives de celui-ci. Le matériau est placé en vue directe des trous des électrodes G1 et G2 et s'évapore en même temps que le baryum. Ainsi ce matériau se dépose sur les grilles du canon à électrons approximativement aux mêmes endroits où le baryum se dépose, notamment sur l'intérieur et le rebord 31 de l'orifice de l'électrode G2 et il forme avec le baryum un composé, ou du moins une combinaison, dont l'émission électronique est inférieure à celle du baryum seul. Le matériau co-évaporant est choisi pour sa propriété d'évaporation suffisamment proche de celle du baryum, dans le sens où le matériau doit s'évaporer avec un flux suffisant par rapport à celui du baryum, dans les mêmes condition de fonctionnement, c'est-à-dire à une température d'environ 1000 C et avec une pression ambiante de l'ordre 10-7 torr ; le matériau co- évaporant doit avoir une évaporation sensiblement dans le même sens que le baryum afin de se déposer aux mêmes endroits que lui. Le flux de matériau co- évaporant est efficace pour réduire significativement l'émission parasite due au baryum même s'il est inférieur au flux de baryum ; par exemple, un flux de matériau co-évaporant de l'ordre de 1/100 à 1/10 du flux de baryum permet de réduire l'émission du baryum à des niveaux suffisamment faibles pour ne plus être gênants. Les matériaux co-évaporants ne doivent pas dégrader l'émission des cathodes par effet d'empoisonnement à chaud c'est-à-dire à la température de fonctionnement de la cathode, et ils ne doivent pas être susceptibles d'être à l'état liquide lorsque la cathode fonctionne et est activée, ce qui impose des matériaux ayant une température de fusion supérieure à 1300 C dans le cas d'une cathode imprégnée et 1100 C dans le cas d'une cathode à oxydes. En conséquence les matériaux préférentiellement choisis sont le cobalt Co, le chrome Cr, le manganèse Mn, le silicium Si. D'après les abaques de courbes de pression de vapeur, Mn s'évapore davantage que Cr, qui s'évapore davantage que Co, qui s'évapore davantage que Si. Ces matériaux peuvent être utilisés isolément, en combinaison les uns avec les autres ou avec d'autres matériaux de façon à optimiser le résultat pour une configuration donnée de canon ou un type de cathode déterminé. La figure 3 illustre un premier mode de réalisation de l'invention dans le cas où la cathode est de type imprégné. La cathode comprend une pastille émissive 1 dont la surface 35 faisant face aux électrodes du canon comporte une couronne 36 de matériau co-évaporant présentant une surface 34 sensiblement parallèle à la surface de la première électrode G1 (10) ; le matériau co-évaporant est disposé à la périphérie de la surface émissive de manière à ne pas gêner l'émission électronique de la pastille 1. Le matériau co- évaporant peut être sous forme d'une couronne découpée dans une feuille du matériau choisi puis assemblée sur la surface 35 par soudure électrique ou laser. Dans un mode de réalisation alternatif, le matériau co-évaporant est déposé en couche sur la surface 35 au moyen de méthode connue de dépôt sous vide, soit par pulvérisation soit par évaporation Ce mode de réalisation est préférentiellement choisi quand il faut éviter la surépaisseur produite par la couronne parce qu'elle est gênante pour le fonctionnement du canon ; la pastille émissive est alors adaptée en géométrie pour loger la couronne. Lors de l'échauffement de la cathode le baryum s'évapore en même temps que le matériau co-évaporant et vient se déposer préférentiellement en couches 40 sur les orifices des électrodes les plus proches Le matériau co-évaporant ne risque pas de dégrader l'émission de la surface émissive 35 de la cathode en se déposant sur cette zone, car il se dépose préférentiellement sur les parties les moins chaudes et donc pas sur ladite surface émissive qui est au contraire la partie la plus chaude puisqu'elle atteint environ 800 C pour une cathode à oxydes, et 1000 C pour une cathode imprégnée. De même, lorsque le tube à rayons cathodiques est arrêté, la surface émissive refroidit jusqu'à la température ambiante, mais pendant ce refroidissement les gaz et vapeurs issus du matériau co-évaporant ont tendance à se condenser sur les zones plus froides et donc pas sur la surface émissive de la cathode. De plus le matériau est choisi pour qu'au redémarrage de la cathode il s'évapore rapidement de la surface émissive sans effet d'empoisonnement de l'émission de cette surface, de manière qu'il ne puisse se produire une accumulation du matériau co-évaporant sur ladite surface émissive. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le matériau co-évaporant est isolé de la surface de la partie émissive de la cathode à l'aide d'une couche isolante disposée à l'interface entre le matériau et la surface émissive. De cette façon, i ! risque pas de dégrader ou perturber l'émission de la surface émissive en diffusant dans la matière constituant la partie émissive de la cathode, cette couche isolante agissant comme une barrière de diffusion. Ce mode de réalisation est illustré par la figure 4 ; la couche isolante 37 est disposée à l'interface entre la couronne de matériau co-évaporant 36 et la surface émissive 35 de la cathode. Cette barrière de diffusion peut être constituée par une sous-couche déposée sur la surface émissive, ou par la paroi d'un réceptacle contenant le matériau co-évaporant Les métaux choisis pour réaliser cette barrière sont préférentiellement et majoritairement constitués de Tantale ou Molybdène ou du Tungstène qui, à l'expérience, montrent les meilleures caractéristiques d'isolation et sont par ailleurs neutres vis à vis du comportement émissif de la cathode Dans un autre mode de réalisation de l'invention non représenté, adapté à une cathode imprégnée dont la partie émissive est constituée par une pastille de matériaux émissifs, plutôt que de disposer une couche isolante à l'interface entre le matériau co-évaporant et la surface émissive de la cathode, il est proposé de réduire à la fois la diffusion du baryum dans le matériau co- évaporant et la quantité de baryum qui s'évapore de la surface de cathode, en bouchant les pores de la pastille imprégnée, généralement en tungstène poreux, au niveau de l'interface entre le matériau co-évaporant. et la surface émissive. Ce bouchage peut être obtenu, par exemple, par une action mécanique de raclage de la surface de la pastille par un matériau plus dur qu'elle tel que le diamant. Il peut aussi être obtenu par d'autres méthodes, telles que par des tirs laser qui fondent superficiellement le matériau. REVENDICATIONS 1/Canon à électrons comprenant au moins une cathode et une succession d'électrodes métalliques 10,11, 12..., la cathode comportant une partie émissive 1 de manière à générer un faisceaux électronique, partie émissive faite d'un mélange de matériaux comprenant du baryum caractérisé en ce que la partie émissive comprend en outre un matériau co-évaporant 36 dont la température d'évaporation est proche de celle du baryum, de manière à constituer avec le baryum un mélange 40 déposé sur les orifices des électrodes situées à proximité pendant le fonctionnement de la cathode. 2/Canon à électrons selon la revendication précédente caractérisé en ce que la surface de la cathode faisant face à la première électrode du canon comporte une première zone émissive 35 contenant du baryum et une deuxième zone 34 comportant le matériau co-évaporant 36. 3/Canon à électrons selon la revendication précédente caractérisée en ce que le matériau co-évaporant 36 est disposé en forme de couronne sur la surface de la zone émissive de la cathode. 4/Canon à électrons selon l'une des revendications 2 ou 3 caractérisée en ce que le matériau co-évaporant 36 est déposé sur la surface de la zone émissive de la cathode par pulvérisation ou évaporation sous vide. 5/Canon à électrons selon l'une des revendications 2 à 4 caractérisée en ce que le matériau co-évaporant est séparé de la zone émissive par une couche intermédiaire 37 de manière à éviter la diffusion du matériau co-évaporant dans la zone émissive de la cathode. 6/Canons à électrons selon la revendication précédente caractérisée en ce que la couche intermédiaire 37 est constituée majoritairement par du Tungstène, du Tantale ou du Molybdène. 7/Canons à électrons selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que le matériau co-évaporant est constitué au moins partiellement, de Cobalt, ou de Chrome, ou de Manganèse, ou de Silicium 8/Méthode de fabrication d'une cathode imprégnée pour canon à électrons conforme à l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que les pores de la surface émissive de la pastille sont bouchés dans une zone située à l'interface du matériau co-évaporant et de ladite surface émissive 9/Tube à rayons cathodiques caractérisé en ce qu'il comporte un canon à électrons selon l'une des revendications n 1 à 7