Brevet FR2818437A1 — publié le 20020621

La présente invention a pour objet une structure de cathode pour tube à rayons cathodiques et plus particulièrement une structure pour cathode dites à oxydes. Une cathode à oxydes, notamment celle utilisée dans un tube à rayons cathodiques est une source d'électrons qui s'use au cours de sa durée de fonctionnement. Autrement dit, le courant d'électrons émis par la cathode diminue progressivement, de sorte que la cathode, et par conséquent le tube, a une durée de vie limitée. La diminution d'émission est causée par la diminution de la génération de baryum, qui est l'élément nécessaire non seulement à la surface de la cathode pour produire l'émission, mais aussi dans l'épaisseur du badigeon de la cathode pour le rendre moins résistif, cette résistivité étant aussi une cause de diminution du courant émis. En raison de cette deuxième cause, l'effet est plus fort lorsque la cathode fonctionne avec une densité de courant plus grande. Par conséquent, le problème de la durée de vie limitée est surtout sensible en cas de densité de courant élevée. Or la tendance actuelle des tubes à rayons cathodiques est d'aller vers des applications où la densité de courant est de plus en plus élevée. La génération de baryum s'effectue là où, dans la cathode, les éléments oxydes, de barium, strontium ou de calcium, entrent en contact avec les éléments réducteurs, tels que magnésium, silicium, aluminium, zirconium, etc qui sont issus du métal-support (généralement du nickel) par diffusion gazeuse ou solide. Cette zone de contact est nommée interface parce qu'elle est localisée à l'interface entre le nickel et les oxydes. Les principaux facteurs limitant de la génération de baryum sont : - l'étendue de l'interface : généralement l'interface est quasiment plane car le nickel a une surface quasiment plane. - la densité des oxydes à l'interface. Les mécanismes mis en jeu au niveau de l'interface et entraînant une durée de vie limitée de la cathode sont connus et décrits dans la littérature. L'interface est le lieu où se produit la réaction chimique : R+BaO--- > RO+Ba, où R représente un élément réducteur et BaO l'oxyde de baryum. Cette interface est localisée initialement à la surface du nickel qui est en contact avec le badigeon d'oxydes. Ensuite, au cours de la durée de vie de fonctionnement, l'interface se déplace peu à peu vers l'intérieur du badigeon parce que la zone de badigeon la plus proche du nickel s'épuise peu à peu en BaO. Peu à peu, les éléments réducteurs doivent donc effectuer un parcours plus long, et, comme leur vitesse de diffusion est en proportion de leur gradient de concentration, le flux de ces éléments diminue peu à peu : ceci constitue une première cause de diminution de la génération de baryum. Dans ce phénomène le facteur limitant est l'amenuisement progressif du gradient de concentration dans le nickel, car la quantité de BaO à l'interface est largement en excès par rapport à celle des éléments réducteurs, même si la densité du badigeon est choisie de faible valeur. Cette interface accumule les composés RO dont la quantité augmente peu à peu, tandis que le baryum ne s'accumule pas car il est mobile et tend à se répartir dans toute l'épaisseur du badigeon. L'accumulation des composés produit un effet de barrière, ou du moins, de frein, à la diffusion des éléments réducteurs : ceci constitue une deuxième cause de diminution de la génération de baryum, et on dit que l'interface agit comme une"barrière de diffusion"vis-à-vis des éléments réducteurs. Plus précisément, les éléments réducteurs ne diffusent pas de manière uniforme depuis la surface du nickel, mais surtout depuis les extrémités des joints de grains du nickel. En effet les éléments réducteurs sont surtout concentrés dans les joints de grains et diffusent à travers l'épaisseur du nickel en suivant préférentiellement les joints de grains. Or ces joints de grains ne représentent qu'une petite portion de la surface totale du nickel. Cette explication permet d'envisager différentes possibilités pour améliorer la durée de vie de la cathode limitée par l'étendue limitée de l'interface, et parmi elles, celles consistant à diminuer l'effet barrière de l'interface, en rendant les composés plus dispersés spatialement : c'est la voie choisie dans le brevet US6124666 et dans les brevets US5977699 et US6054800. Les brevets US5977699 et US6054800 décrivent des solutions dans lesquelles une couche de poudre à base de zirconium ou de tungstène est déposée par sputtering sur le support métallique, puis recuite pour assurer sa cohésion, et enfin recouverte de badigeon. Cette couche permet de disperser la diffusion des éléments réducteurs en une multitude de petits canaux, d'où résulte un moindre effet barrière. Le brevet US6124666 décrit une solution dans laquelle une couche de poudre à base de nickel et tungstène est déposée par sputtering sur le support métallique, puis recuite de façon à obtenir des grains plus petits que ceux du support métallique en nickel, puis recouverte de badigeon. Cette couche permet de disperser la diffusion des éléments réducteurs en une multitude de petits canaux, d'où résulte un moindre effet barrière. Par ailleurs, au cours de la fabrication des cathodes à oxydes, le badigeon émissif (à base de carbonates de baryum, et généralement aussi de strontium et/ou de calcium) est déposé sur la surface de nickel au moyen d'un ensemble d'opérations appelé badigeonnage. Le badigeon, préparé sous forme de poudre, est mélangé à des solvants pour réaliser une suspension liquide, qui ensuite est déposé sur la surface de nickel par un procédé qui généralement est un pistolettage de gouttelettes, similaire à celui utilisé pour déposer une peinture. Après évaporation des solvants, le nickel se trouve recouvert d'une fine couche de badigeon émissif. Pour obtenir une bonne adhérence du liquide au pistolettage, la surface du nickel est préalablement préparée par des procédés chimiques, par exemple, une attaque acide dans un liquide, qui ont pour buts de nettoyer et de créer une rugosité favorable à l'adhérence. L'efficacité de cette méthode est limitée par une combinaison de variabilités : la variabilité de composition du liquide attaquant, et la variabilité de la réactivité du nickel sous l'effet du liquide attaquant. En effet, ce liquide attaquant, ainsi que le nickel, sont fabriqués sous forme de lots successifs qui ont une certaine variabilité entre eux. Le problème de la variabilité de l'adhérence du badigeon peut s'expliquer par les mécanismes suivants : - Les défauts d'adhérence, qui ont pour conséquence un décollement total ou partiel du badigeon de son support métallique, soit pendant le fonctionnement du tube à rayons cathodiques, soit pendant la fabrication de la cathode, du canon à électrons ou du tube, ont pour causes principales soit une contamination par des corps étrangers, soit une rugosité inadéquate du support métallique ou une quantité inadéquate du badigeon par unité de surface. - Concernant la rugosité du support métallique, il ne suffit pas qu'elle soit adéquate au moment où le badigeon est déposé dessus, car par la suite ladite rugosité peut évoluer : - soit sous l'effet du recuit, effectué antérieurement au dépôt du badigeon, au cours duquel le métal nickel se reconstruit partiellement en surface, - soit sous l'effet de la création progressive de l'interface pendant le fonctionnement du tube. Le brevet US4273683 décrit une solution dans laquelle une couche de poudre de nickel est disposée entre le support métallique et le badigeon, puis soumise à un recuit pour l'agglomérer sur ce support, de façon à obtenir une surface rugueuse et poreuse qui favorise l'adhérence du badigeon. La présente invention propose d'améliorer de façon concomitante la durée de vie de la cathode et la tenue du badigeon sur le capuchon de cathode en explorant une nouvelle voie, simple à mettre en oeuvre, consistant à créer mécaniquement sur la surface du capuchon de cathode, coté badigeon, une rugosité dont d'amplitude Ra de l'ordre de 3 à 10um, plus forte que celle de la rugosité classique de l'ordre de 0,5 à 3um., ce qui permet d'obtenir : - une augmentation de l'étendue de l'interface pour augmenter la génération de baryum - une rugosité suffisante pour assurer une adhérence malgré l'effet du recuit et malgré la création progressive de l'interface. Pour cela, la cathode selon l'invention comprend un capuchon métallique constitué par un alliage de nickel contenant des éléments réducteurs sur lequel est déposé un badigeon émissif à base d'oxydes, par exemple de l'oxyde de baryum, caractérisé en ce que, la surface du capuchon en contact avec le badigeon est augmentée par indentation. L'invention sera mieux comprise, ainsi que ses différents avantages, à l'aide de la description ci-après et des dessins parmi lesquels : - la figure 1 montre une cathode à oxydes selon l'état de la technique - la figure 2 illustre par une vue en coupe d'un capuchon de cathode conforme à un premier mode de réalisation de l'invention - les figures 3A et 3B illustrent par une vue en coupe et de dessus un deuxième mode de réalisation de l'invention - les figures 4A et 4B illustrent par une vue en coupe et de dessus une troisième mode de réalisation de l'invention. Comme illustré par la figure 1, une cathode à oxydes 2 a généralement la forme d'un tube creux sensiblement cylindrique 10, en nickel ou alliage de nickel, par exemple du nickel-chrome. Le tube 10 est fermé à l'une de ses extrémités par un capuchon 11 qui peut être soit être une pièce métallique rapportée, soit être partie intégrante du tube obtenue par emboutissage. Le capuchon est constitué par un alliage de nickel et sert de support au badigeon constitué d'une couche émissive 12 d'oxydes alcalino-terreux. Cette couche 12 chauffée à haute température par le filament 13 va être la source du faisceau électronique destiné à balayer la surface écran du tube. La surface 20 du capuchon, sensiblement plane va servir d'interface entre le métal constituant le capuchon et le badigeon. Le principe de l'invention repose sur la création d'une extension de surface de l'interface 20 par des indentations dans le nickel ou alliage de nickel constituant le capuchon de cathode. La profondeur et l'espacement des indentations sont choisis de manière à ce que leurs valeurs moyennes soient plus petites que la dimension moyenne des grains (qui est généralement de l'ordre de 30 à 90um, typiquement 40um, l'épaisseur du nickel étant généralement de 80 à 160um, typiquement 100um), de façon à ce que de nombreuses indentations soient réalisées sur le tracé de chaque joint de grain, et obtenir ainsi une extension de la surface des extrémités des joints de grains. Dans le cas d'un alliage de nickel cela conduit à réaliser des indentations ayant une profondeur moyenne comprise entre 5um et 30um. L'opération d'indentation peut être réalisée : - soit pendant l'élaboration de la bande de nickel par le fournisseur métallurgique, - soit pendant la mise en forme finale du nickel, qui généralement consiste à mettre en forme la pièce appelée capuchon de la cathode, - soit pendant une des opérations de réalisation de la cathode, comme par exemple l'opération d'assemblage et soudure du capuchon sur la pièce appelée jupe de cathode. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, tel qu'illustré par la figure 2, l'opération d'indentation est réalisée pendant l'élaboration de la bande de nickel, et consiste à créer mécaniquement des rainures parallèles 21, chaque rainure ayant par exemple une largeur 15um et une profondeur 15um, l'espacement entre rainures voisines étant aussi de 15um. La surface développée après indentation est alors 2 fois plus grande que la surface initiale de l'interface. La valeur 15 pm est choisie en relation avec la taille des cristaux qui composent le badigeon. En effet ces cristaux de carbonates, de barium, strontium et calcium par exemple, mesurent de 2 à 18pm de long et environ 2um de de large, donc la grande majorité d'entre eux pourra pénétrer dans une rainure de 15pm et ainsi favoriser l'adhérence du badigeon. Dans un deuxième mode réalisation de l'invention, tel qu'illustré par les figure 3A et 4A, l'opération d'indentation est réalisée pendant l'élaboration de la bande de nickel, et consiste à créer mécaniquement des indentations 22 par enfoncement de la matière grâce à un poinçon dont la surface est recouverte de pointes de forme sensiblement pyramidale 32 ou conique 33. Dans le cas d'un poinçon conforme à la vue de dessus de la figure 3B, comportant des pointes de forme pyramidale à base carrée de 20um par 20um, ayant 4 faces en triangle dont chacun a pour hauteur 25um, et en considérant le cas où ces pyramides sont disposées avec une périodicité de 40um selon deux axes perdendiculaires tracés sur la surface du nickel, la surface développée après indentation est environ 1,4 fois plus grande que la surface initiale de l'interface. Dans une variante de cet exemple non représenté, le relief est obtenu, non pas par enfoncement de la matière, mais par grenaillage de la matière en projetant sur elle des grains d'un matériau dur. Dans un troisième mode de réalisation de l'invention l'opération d'indentation est réalisée pendant l'opération d'assemblage et soudure du capuchon de cathode sur la jupe de cathode, et consiste à créer mécaniquement des indentations grâce à un poinçon, par enfoncement de pointes de forme approximativement pyramidale 32 ou conique 33. Dans l'exemple d'une forme pyramidale à base triangulaire, telle qu'un tétraèdre régulier dont chaque face est un triangle équilatéral de côté 15um, et en considérant le cas extrême où les tétraèdres sont disposés sans espace entre eux pour obtenir la densité maximum, la surface développée après indentation est alors 3 fois plus grande que la surface initiale de l'interface. Dans l'exemple d'une forme conique ayant pour base une disque de rayon Rhum et une longueur Zum entre le sommet du cône et la base, l'extension de surface pour 1 cône est égale à 2,5 fois. En considérant le cas où les cônes sont disposés avec une périodicité de 40um selon deux axes perdendiculaires tracés sur la surface du nickel, la surface développée après indentation est alors 1,29 fois plus grande que la surface initiale de l'interface. Les pointes sont en matériau dur comme par exemple du diamant, et sont immobilisées dans un support plan. Par rapport au premier et deuxième mode de réalisation décrits plus haut, ce mode de réalisation présente l'avantage d'éviter la présence de résidus de produits lubrifiants utilisés au laminage, au cas où le nettoyage de la bande finie n'a pas réussi à nettoyer totalement au fond des indentations. Dans un quatrième mode de réalisation l'opération d'indentation est réalisée pendant l'opération d'assemblage et soudure du capuchon sur la pièce appelée jupe de cathode, et consiste à créer mécaniquement des rainures circulaires concentriques par rotation d'un outil muni d'une rangée de pointes de forme approximativement conique. Les pointes sont en matériau dur comme par exemple du diamant, et sont immobilisées dans un support plan. Dans l'exemple d'une forme conique ayant pour base une disque de rayon Rhum et une longueur Zum entre le sommet du cône et la base, chaque cône produit dans le nickel une rainure de profil en V. L'extension de surface créée par un tel cône est alors égale à environ 2L/2R soit 2,5 fois. En considérant le cas où les cônes sont disposés avec une périodicité de 30um, la surface développée après indentation est alors 1,52 fois plus grande que la surface initiale de l'interface. De plus, dans cet exemple, l'indentation est effectuée après le recuit du nickel, ce qui procure un avantage supplémentaire. En effet, le recuit du nickel, qui a pour but de nettoyer, dégazer et stabiliser le comportement thermo-mécanique du capuchon de cathode, est généralement effectué vers 1000 C au moyen d'une atmosphère légèrement oxydante pour éliminer les traces d'éléments nuisibles tels que carbone et soufre. Ce recuit a donc pour effet secondaire d'oxyder partiellement les éléments réducteurs présents à la surface du nickel et dans les interstices situés dans les extrémités des joints de grains. Le fait d'effectuer l'indentation après le recuit permet donc de recréer une surface de nickel originel dont les éléments réducteurs sont intacts, par conséquent l'efficacité de génération du baryum est augmentée. REVENDICATIONS 1/Cathode (2) pour tube à rayons cathodiques comportant un manchon de cathode (10) fermé par un capuchon métallique (11) constitué par un alliage de nickel contenant des éléments réducteurs, un badigeon émissif (12) à base d'oxydes, par exemple de l'oxyde de baryum, déposé sur le capuchon, caractérisé en ce que, la surface du capuchon en contact avec le badigeon est augmentée par indentation (21,22). 2/Cathode pour tube à rayons cathodiques selon la revendication précédente caractérisé en ce que la surface du capuchon de cathode, coté badigeon a une rugosité dont d'amplitude Ra est comprise entre 3 et 10 um. 3/Cathode pour tube à rayons cathodiques selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'indentation a une profondeur moyenne comprise entre 5um et 30um. 4/Procédé de fabrication d'une cathode conforme à l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'indentation est réalisée par enfoncement de la matière constituant, au moins partiellement, la surface du capuchon en contact avec le badigeon. 5/Procédé de fabrication d'une cathode selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'enfoncement de la matière est réalisé par un poinçon dont la surface est recouverte de pointes (32,33) de forme pyramidale ou conique. 6/Procédé de fabrication d'une cathode pour tube à rayons cathodiques conforme à l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que l'indentation est réalisé par rainurage de la surface de métal constituant le capuchon. 7/Procédé de fabrication d'une cathode pour tube à rayons cathodiques conforme à la revendication précédente caractérisée en ce que le rainurage forme un motif circulaire concentrique. 8/Procédé de fabrication d'une cathode pour tube à rayons cathodiques conforme à l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que l'indentation est réalisée par grenaillage de la surface du capuchon. 9/Procédé de fabrication d'une cathode pour tube à rayons cathodiques conforme à l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que en ce que l'indentation est réalisée pendant l'élaboration de la bande de métallique à partir de laquelle est fabriqué le capuchon de cathode 10/Procédé de fabrication d'une cathode pour tube à rayons cathodiques conforme à l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que l'indentation est réalisée pendant l'opération d'assemblage et soudure du capuchon (11) sur la pièce appelée jupe de cathode (10) 11/Procédé de fabrication d'une cathode pour tube à rayons cathodiques conforme à l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que l'indentation est réalisée après l'opération de recuit du capuchon.