Brevet FR2830680A1 — publié le 20030411

L'invention concerne un canon à électrons pour tube à rayons cathodiques incorporant un système de cathode à micro-émetteurs du type à émission par effet de champ 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 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 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 émetteurs, émissifs par effet de champ, pour former les faisceaux électroniques en association avec une structure d'électrodes adaptée peut permettre de diminuer légèrement la longueur du canon par rapport à un canon selon l'état de la technique grâce à une zone de formation du faisceau électronique plus courte le long de l'axe longitudinal du canon. Cependant, remplacer une source thermoïnique d'électrons par une source composée d'émetteurs par effet de champs se heurte au problème de la densité de courant susceptible d'être fournie par ce type d'émetteur, densité largement plus faible que les sources thermoïoniques. Un premier objet de l'invention est d'obtenir, en utilisant un système de cathode froide à micro-émetteurs par effet de champ ne présentant pas l'inconvénient décrit ci-dessus, un canon à électrons raccourci, c'est-à-dire de moindre longueur dans son axe principal, pour obtenir un tube à rayons cathodiques plus court et donc un téléviseur moins profond, ce qui répond à une demande actuelle. 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 micro-émetteurs par émission froide disposé sur le conducteur cathodique et électriquement reliés à celui-ci, destinés à émettre par effet de champ un ensemble de micro-faisceaux d'électrons - Une électrode d'extraction disposée au-dessus du conducteur cathodique, l'électrode d'extraction comportant une zone ajourée disposée au dessus du réseau de micro-émetteurs - Une électrode collimatrice pour réduire l'angle d'émission des micro faisceaux - au moins une électrode de focalisation caractérisée en ce que le canon comporte des moyens pour que les micro-faisceaux convergent en une zone virtuelle située en arrière de la cathode, du coté opposé à l'électrode de focalisation. 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 montre en coupe la zone de formation du faisceau électronique issu d'une cathode thermoïonique classique - La figure 2 est une vue en coupe d'une cathode a micro pointes émissives par effet de champ selon l'état de la technique - Les figures 3 a, 3b, 3c représentent, en coupe une structure de cathode à micro pointes selon un premier mode de réalisation de l'invention. - Les figure 4a, 4b, 4c, 4d, 4e représentent, en coupe, une structure de cathode à micro pointes selon un deuxième mode de réalisation de l'invention La figure 1 illustre la zone de formation du faisceau d'électron dans le cas d'une cathode thermoïonique classique du type cathode à oxyde ou cathode imprégnée selon l'état de la technique, comme décrit par exemple dans le brevet américain US 5220239. Le canon à électrons comporte une cathode K, une première électrode de contrôle G1, une électrode d'extraction G2, une électrode de focalisation G3 et une électrode G4 portée à la haute tension d'anode. Les tensions habituelles portées sur chacune des électrodes sont de l'ordre de quelques dizaine de volts sur la cathode k, 0 volt pour G1, quelques centaines de volts pour G2, quelques milliers de volts pour la tension Vf de focalisation appliquée à G3 et une tension d'anode Va entre 25Kv et 35Kv. Compte tenu de cette répartition des potentiels et des équipotentielles de champ 31 de champ électrique, les électrons issus de la cathode K vont d'abord converger en une zone 33 de l'axe longitudinal Z du canon, zone appelée"cross over"et située dans l'espace appelé zone de formation du faisceau électronique 32, non loin de l'électrode d'extraction G2. Le faisceau va ensuite diverger par rapport à l'axe de propagation et rentrer dans l'ouverture 35 de la première électrode de focalisation G3 avec un angle Ge par rapport audit axe de propagation ; la lentille électrostatique Lf créée par les électrodes G3 et G4 va ensuite faire converger le faisceau 32 sur l'écran du tube, pour former sur l'écran 34 du tube un point image du "cross over" à travers ladite lentille. Pour un canon comme celui de la figure 1, dont la longueur totale D est de l'ordre de 80mm, comprenant successivement une cathode, une électrode de contrôle G1, une électrode écran G2, et une lentille de focalisation bipotentielle constituée de deux électrodes G3 et G4, la distance dkf suivant l'axe de propagation du faisceau, entre la cathode et le centre de la lentille de focalisation de l'ordre de 30mm, Ge est de l'ordre de 40 pour un courant de faisceau de 5 mA. Le fonctionnement d'un tel canon ainsi que les ordres de grandeur de ses paramètres physiques sont décrits dans le volume 105 de la publication intitulée"Advances in imaging and electron physics", volume 105 de l'édition Academic Press de 1999, dont l'auteur est Hiroshi Suzuki. Comme indiqué sur la figure 2, une cathode à micro-émetteurs, par exemple des micro pointes émissives par effet de champ comporte selon l'état de la technique 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 micro pointes 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 avantageusement déposée entre les micro pointes 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, laquelle émet un micro faisceau d'électron 20 par l'application d'une tension positive de quelques dizaines à quelques centaines 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 de quelques milliers à quelques dizaines de milliers de volts. Dans une configuration standard, la grille d'extraction recouvre le conducteur cathodique, à l'exception de la zone ajourée au-dessus des micro-émetteurs. 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 il est connu de disposer une électrode de collimation du micro faisceau sur la trajectoire de celui comme illustré par la figure 3c représentant un élément émissif 12 avec une électrode d'extraction 10 et une électrode de collimation 21. Une électrode décélératrice 22 peut être disposée entre les électrodes 10 et 21 de manière à ralentit les électrons émis et permettre une meilleure collimation du micro faisceau 20 dont l'angle de divergence peut être ainsi ramené à moins de 1 , préférentiellement autour de 0, 3 . De manière à constituer une cathode sous forme d'un élément unitaire 23, les électrodes peuvent être réalisées par dépôts métalliques sur des couches isolantes 24. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, illustré par les figures 3a, 3b, 3c, on a remplacé la zone de formation du faisceau d'un canon à électrons selon l'état de la technique, tel qu'illustré par la figure 1, par une cathode 23 comportant une multitude de micro-émetteurs du type de ceux décrits précédemment. La cathode 23 constitue une matrice émissive de forme d'un disque dont l'axe coïncide avec l'axe principal du canon et dont la surface est une portion de sphère de façon à ce que les axes 26 des faisceaux émis par les micro émetteurs distribués sur ladite surface convergent en une zone 40 située en arrière de la cathode, zone constituant dans ce cas un"cross over"virtuel. En prenant une périphérie de la zone émissive de la cathode 23 de forme circulaire, les axes 26 des faisceaux électroniques 20 sont distribués dans une ouverture angulaire ae par rapport à l'axe de symétrie A de la zone émissive, axe perpendiculaire à la surface de la dite cathode et constituant l'axe de propagation du faisceau global issu de ladite cathode. Comme indiqué sur la figure 3a, la cathode est disposée dans le canon à l'entrée de la première électrode G3 de la lentille de focalisation, de manière à émettre un faisceau d'électrons présentant à l'entrée de la lentille de focalisation une ouverture angulaire ae de valeur sensiblement égale à celle de l'ouverture angulaire dans le cas du canon de la figure 1. La large ouverture de la première électrode de focalisation permet d'utiliser une cathode 23 de diamètre de la partie émissive proche du diamètre de l'ouverture de G3 ; ce diamètre d'environ 1 mm est le double du diamètre de la partie émissive d'une cathode thermoïonique classique ; sachant qu'une cathode thermoïonique de 0.5 mm de diamètre peut fournir un courant de 5mA avec une densité de courant de 3A1cm2, la cathode à micro émetteurs 23 peut fournir le même courant avec une densité quatre fois plus faible d'environ 0. 75A/cm2. Cette densité est compatible avec celle que l'on peut obtenir à l'heure actuelle de cathode à émission par effet de champ, densité qui ne peut excéder 1 à 2 A/cm2 sans risque d'être endommagée ou prématurément usée. Cet avantage est encore accru par le fait qu'une cathode du type à émission par effet de champ émet un faisceau de densité sensiblement uniforme avec un profil sensiblement plat, alors qu'une cathode thermoïonique classique fonctionne dans une structure de triode avec une densité de courant dont le profil est en cloche. IL est connu que pour qu'il n'y ait pas d'interaction entre deux lentilles électrostatiques dans un canon à électrons il faut que leur distance soit au moins 1,5 fois plus grande que le plus grand diamètre de ces lentilles. Dans un canon pour tubes à rayons cathodiques le plus grand diamètre de la lentille de focalisation est d'environ 5mm. Il est donc possible, avec une cathode conforme à l'invention dont le diamètre serait de l'ordre de 1 mm, de retrouver les mêmes conditions de faisceau qu'avec un canon de structure classique incorporant une cathode thermoïonique, c'est-à-dire avec un faisceau électronique présentant à l'entrée de la lentille de focalisation, un angle de divergence ae compris entre 3 et 50, par rapport à l'axe de propagation, cela pour un courant de 5mA. Pour arriver à cette fin, la cathode 23 est disposée à une distance de la lentille de focalisation qui peut être choisie entre 7 et 10mm. Il en résulte un raccourcissement du canon compris entre 20 et 23 mm, raccourcissement très significatif par rapport à la longueur totale du canon d'environ 80mm. Dans un deuxième mode de réalisation de l'invention, la cathode 53 à émission par effet de champ présente une surface émissive sensiblement plane. Chacune des zones émissives élémentaires a une structure asymétrique de manière à ce que l'axe 26 du micro faisceau 20 émis présente un angle an par rapport à l'axe central A de propagation du faisceau global issu de la cathode 53 ; la valeur de l'angle an dépend de la position du micro émetteur 12 sur la surface de la cathode et elle augmente, de façon préférentielle, linéairement avec la distance entre le micro émetteur et l'axe A, jusqu'à prendre la valeur maximum ae sur la périphérie de la cathode 53. Une fois cette cathode disposée au niveau de l'ouverture de la première électrode G3 de focalisation, les micro faisceaux 20 apparaissent comme issu d'une même zone virtuelle 40 appelée "cross over virtuel" et situé à l'arrière de la cathode du coté opposé à la lentille de focalisation formée par les électrodes G3 et G4. Comme illustré par les figures 4c et 4d, l'asymétrie permettant d'orienter le faisceau dans une direction prédéterminée peut être créée en réalisant une asymétrie spatiale du champ électrique de d'extraction ou de collimation par un décentrage (54) entre d'une part l'élément émissif 12 de la zone émissive élémentaire et d'autre part le centre de l'orifice (55) de l'électrode de collimation 21, la valeur du décentrage augmentant, de façon préférentielle, linéairement avec la distance entre le micro émetteur et l'axe A. Il est également possible d'envisager de rendre coaxiales les ouvertures des électrodes d'extraction et de collimation et de les désaxer par rapport au point d'émission de l'élément émissif 12. L'asymétrie spatiale du champ électrique de collimation peut être réalisée également en faisant en sorte que les orifices de l'électrode de collimation et/ou de l'électrode d'extraction étant co-axiaux avec les micro émetteurs 10, ces orifices soient réalisés en deux parties métalliques portées à des potentiels différents. Une telle structure est illustrée par la figure 4e montrant en vue de dessus une portion en couronne de la cathode 23. Au dessus de chaque micro émetteur, l'électrode de collimation 21 possède des ouvertures co-axiales avec les micro émetteurs, les ouvertures étant en deux partie 21 a et 21 b, isolées l'une de l'autre et portés à des potentiels différents ; si le potentiel de la partie 21 a est supérieur au potentiel de la partie 21 b, le micro faisceau 20 va être décalé vers la partie 21 a de manière à former un angle an avec la perpendiculaire à la surface de la cathode. La cathode selon ce deuxième mode de réalisation peut être mise en pratique pour réaliser le même type de canon qu'avec le premier mode de réalisation et offrir les mêmes avantages en terme de raccourcissement de la longueur du canon et de densité de courant. L'invention n'est pas limitée à la réalisation de cathodes dont les micro-émetteurs sont des micro-pointes comme décrit ci-dessus. Elle peut au contraire être utilisée de la même façon et avec les mêmes avantages dans tous les autres cas de micro-émetteurs par effet de champ, notamment les micro-émetteurs plans à base de carbone. La cathode selon l'invention dans tous ses modes de réalisation peut être indifféremment mise en application dans un canon mono faisceau pour tube monochrome ou dans un canon à trois faisceaux pour tube en couleurs. REVENDICATIONS 1/Canon à électrons pour tube à rayons cathodiques comprenant au moins une cathode dont la structure émissive comporte : - Une première électrode de polarisation encore appelée conducteur cathodique (5) - Au moins un réseau de micro émetteurs (12) par émission froide disposé sur le conducteur cathodique et électriquement reliées à celui-ci, destinées à émettre par effet de champ un ensemble de micro-faisceaux d'électrons (20) - Une électrode d'extraction (10) disposée au-dessus du conducteur cathodique et percée d'ouvertures au-dessus des micro émetteurs - Une électrode collimatrice (21) pour réduire l'angle d'émission des micro faisceaux le dit canon comportant en outre au moins une électrode de focalisation (G 3) caractérisée en ce que le canon comporte des moyens (23,53) pour faire converger les micro-faisceaux en une zone virtuelle (40) située en arrière de la cathode, du coté opposé à l'électrode de focalisation. 21 Canon selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens de convergence consistent en ce que la surface émissive de la cathode (23) est une portion de sphère 3/Canon à électrons selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens pour faire converger les micro faisceaux comportent des moyens (21,54, 55, 21a, 21b) pour créer dans la zone d'émission du micro faisceau une asymétrie spatiale de champ électrique. 4/Canon à électrons selon la revendication précédente caractérisé en ce que les moyens pour créer une asymétrie de champ électrique consistent en ce que l'électrode d'extraction et/ou l'électrode de collimation aient des ouvertures décentrées dans au moins une direction du plan de l électrode par rapport aux micro-émetteurs 5/Canon à électrons selon la revendication précédente caractérisé en ce que le décentrage varie linéairement par rapport à la distance à l'axe central A de la cathode 6/Canon à électrons selon la revendication 3 caractérisé en ce que les moyens pour créer une asymétrie de champ électrique consistent en une électrode de collimation (21) dont au moins certaines ouvertures sont en deux parties (21a, 21 b), isolées l'une de l'autre et portées à des potentiels différents 7/Canon à électrons selon la revendication 1 caractérisé en ce que la cathode est disposée au niveau de l'entrée de la première électrode de focalisation 8/Tube à rayons cathodiques comportant un canon à électrons comportant au moins une cathode conforme à l'une quelconque des revendications précédentes