Brevet FR2833406A1 — publié le 20030613

La présente invention a pour objet une cathode imprégnée pour tubes à rayons cathodiques et plus particulièrement une cathode imprégnée à durée de vie améliorée. Une cathode imprégnée est constituée d'un corps métallique poreux, encore appelé pastille, qui est imprégné par un matériau appelé l'imprégnant susceptible d'émettre des électrons, ce matériau étant composé majoritairement par oxyde métallique par exemple de l'oxyde de Baryum. Le corps métallique poreux est généralement en métal réfractaire comme par exemple le tungstène ou le molybdène. Le corps métallique poreux est disposé à l'intérieur d'une coupelle métallique elle-même en matériau réfractaire. Une feuille métallique poreuse obtenue soit par perforation d'une feuille massive, soit par pressage, frittage et imprégnation éventuelle est disposée au dessus de la pastille. Le matériau imprégnant réagit chimiquement avec la pastille et produit du matériau émissif, par exemple à base de Baryum ou d'oxyde de Baryum, lequel matériau émissif va migrer dans la pastille et traverser les pores de la feuille métallique pour revêtir sa surface, ladite surface constituant alors la surface émissive de la cathode. La tendance actuelle dans le domaine des tubes à rayons cathodiques va dans le sens d'une forte augmentation de la densité de courant cathodique pour l'utilisation, par exemple dans le domaine de la télévision, de ces tubes dans des applications en haute définition. Or, on a remarqué que la durée de vie de la cathode dépendait pour beaucoup de la densité de courant qui lui était demandée. Différentes méthodes ont été proposées pour augmenter la durée de vie des cathodes imprégnées comme par exemple : - évaporer le matériau émissif comme le baryum plus lentement, soit en réduisant la porosité de la pastille imprégnée, soit en abaissant la température de fonctionnement - augmenter le réservoir de matériau imprégnant et donc de matériau émissif, soit par augmentation du volume de la pastille, soit en rajoutant un réservoir sous la pastille Cependant si ces solutions permettent d'augmenter la durée de vie de la cathode à faible densité de courant, cette durée de vie n'est pas sensiblement modifiée à forte densité de courant pour les raisons suivantes : - si la porosité est réduite, cela entraîne la réduction de la taille du réservoir de matériaux imprégnant - si la température de fonctionnement est réduite, l'émission électronique diminue - le flux de matériaux émissif diminue avec la distance qui le sépare de la surface émissive, car en chemin le matériau émissif s'évapore en proportion de sa surface exposée au vide - rajouter un réservoir sous la pastille est une solution particulièrement onéreuse qui ne peut être utilisée pour la fabrication de produits grand public et qui rend l'activation de la cathode plus longue. L'objet de l'invention est une structure particulière de cathode permettant d'agir non pas sur la taille du réservoir de matériau émissif, mais sur le flux de matériau émissif, et plus particulièrement sur la vitesse avec laquelle se vide le réservoir. Pour cela une cathode imprégnée selon l'invention comprend une pastille émissive poreuse imprégnée par un composé de métaux alcalino- terreux, ladite pastille étant disposée dans une coupelle en matériau réfractaire, et recouverte par une feuille métallique poreuse constituant la surface émissive de la cathode caractérisé en ce que la pastille présente une surface de séparation entre une zone fortement imprégnée et une zone pas ou faiblement imprégnée ladite surface de séparation comportant au moins une partie en creux faisant face à la surface émissive. L'invention et ses avantages seront mieux compris à l'aide de la description ci-après et des dessins parmi lesquels : - la figure 1 illustre une mode de réalisation selon l'état de la technique d'une cathode imprégnée - la figure 2 montre un premier mode de réalisation de l'invention - la figure 3 illustre une variante de réalisation d'une cathode selon l'invention Une cathode imprégnée suivant l'état de la technique est décrite par exemple dans le brevet américain US4101800. Une telle cathode, illustrée par la figure 1 comprend une pastille poreuse 1 imprégnée de façon homogène de matériaux émissifs comme par exemple des composés à base de métaux alcalino-terreux comme le Baryum ou le Calcium ; la pastille est insérée dans une coupelle 2 en matériau réfractaire comme le molybdène ou le tantale. La pastille est recouverte d'une feuille métallique 3 poreuse attachée à la coupelle par brasage ou soudure au laser. La feuille métallique 3 est par exemple réalisée par pressage et frittage d'un matériau métallique comme le tungstène. La coupelle 2 est solidarisée à un manchon cylindrique creux 6 à l'intérieur duquel est disposé le filament de chauffage 4 de la cathode. Pendant le fonctionnement de la cathode, des matériaux émissifs comme le Baryum et l'oxyde de Baryum sont générés dans les pores de la pastille et vont migrer vers la surface émissive et traverser la feuille 3 par ses orifices 5. Le baryum évaporé et diffusé par la pastille, poursuit son cheminement à travers la feuille 3, s'y dépose en partie et traverse sous forme vapeur pour une autre partie. Plus la porosité de la feuille est faible et plus importante est la partie de baryum qui s'y dépose. Le baryum déposé se répand très rapidement et s'uniformise sur la surface en raison de la température élevée de la feuille, température quasiment identique à la température de fonctionnement de la pastille. Le baryum répandu sur la surface supérieure de la feuille perforée fait jouer à celle-ci le rôle de surface émissive d'électrons. Le flux de Baryum est provoqué par une réaction chimique entre l'imprégnant et le matériau comme le tungstène constituant la pastille et ce flux s'oriente vers la voie libre que constitue la surface émissive 3. Ainsi se constitue un front de déplétion 7 dont la surface est sensiblement parallèle à la surface émissive de la pastille. Le front de déplétion délimite une frontière entre une zone 8 qui s'est très appauvrie en matériau émissif et qui est située directement sous la feuille 3 et une zone plus profonde 9 dans laquelle la densité de matériau émissif n'a pas encore été modifiée. Le front de déplétion va se déplacer en présentant une surface sensiblement parallèle à la surface émissive durant la vie de la cathode, la profondeur à laquelle se trouve le baryum au-dessous de la surface émissive augmentant progressivement avec la durée de fonctionnement de la cathode. L'invention se base sur le fait qu'il a été remarqué qu'au cours du fonctionnement le front de déplétion se déplace en présentant une surface sensiblement parallèle à sa surface initiale, à la manière d'un front de combustion lente. Par ailleurs, le flux de matériau émissif comme le Baryum est une fonction décroissante de la distance qui le sépare de la surface émissive. Il en résulte que le Baryum situé loin de la surface émissive ne peut être utile. Ainsi que décrit par A. M. Shroff dans Applications of Surface Science 8 pages 36-49, publié par North Holland Publishing Company en 1981, le flux de matériau émissif diminue au fur et à mesure que le front de déplétion s'éloigne de la surface émissive suivant une loi pour laquelle le flux est inversement proportionnel à la racine carrée du temps durant lequel la cathode a été utilisée. Deux phénomènes causent cette diminution de flux de matériau émissif : - la diffusion de l'oxyde de Baryum vers la surface pour être réduite en Baryum est de plus en plus difficile au fur et à mesure que les résidus de réactions chimiques s'accumulent dans les pores. - au fur et à mesure que le front de déplétion s'éloigne de la surface émissive, le matériau émissif s'évapore en proportion de sa surface exposée au vide qui se trouve augmentée en proportion de l'éloignement - au fur et à mesure que le front de déplétion s'éloigne de la surface émissive, le matériau émissif doit diffuser le long d'une plus grande distance et tend à recouvrir sur son trajet, une surface métallique qui croit avec cette distance ce qui diminue d'autant la quantité de matériau qui atteint la surface. L'invention apporte une solution à ces problèmes sans modifier les phénomènes chimiques se produisant dans la pastille, ni sa porosité, ni sa température de fonctionnement. Comme illustré par la figure 2, l'invention dissocie la fonction source de matériau émissif et la fonction surface émissive afin de créer entre elles une amplification géométrique du flux de matériau émissif. Pour cela la cathode est constituée d'une pastille émissive 11 insérée dans une coupelle 12. La pastille est recouverte d'une feuille métallique poreuse 13, par exemple fabriquée par pressage et frittage de poudre de tungstène, feuille métallique qui peut être avantageusement imprégnée de matériau imprégnant. La pastille 11, lors de sa fabrication, présente la particularité de présenter une zone fortement imprégnée 19 et une zone faiblement imprégnée ou pas imprégnée du tout 10. La surface de séparation 18 entre ces deux zones présente la caractéristique géométrique d'être concave et de présenter au moins un creux entre la feuille 13 constituant la surface émissive de la cathode et la partie fortement imprégnée 19 de la pastille. Dans le mode de réalisation illustré par la figure 2, la surface de séparation 18 présente une concavité hémisphérique disposée au centre de la pastille. La pastille 11 a une porosité comprise préférentiellement entre 15% et 35%, et un diamètre 16 de 1.3mm. Sa profondeur 14 est de 0.6mm et la cavité 10 située en son centre a un diamètre 20 de 0.7mm. Sur la pastille est disposée une feuille métallique 13, pouvant ou non être imprégnée, de porosité comprise entre 15% et 35% et ayant une épaisseur de 20um à 50um ; la feuille est revêtue préférentiellement d'une couche d'alliage comme par exemple Osmium/Ruthénium ou d'Iridium qui abaisse le travail de sortie des électrons. La pastille est insérée dans une coupelle 12 laquelle est solidarisée à un manchon cylindrique par exemple par soudure laser. La feuille 13 et la pastille sont solidarisée l'une à l'autre par une brasure 21 à base de métaux à haut point de fusion comme le Molybdène et le Ruthénium reliant leur surface périphérique et entourant la Zone 10. Le mélange à base de Molybdène/Ruthénium peut être préparé à partir de poudres mélangées à un solvant, puis appliqué en couches de quelques um d'épaisseur, et enfin fondu au laser en pressant la feuille et la pastille préalablement imprégnée l'une contre l'autre. De cette façon le front de déplétion va être initialement constitué au niveau de la surface hémisphérique 18, la brasure 21 constituant une barrière étanche au matériau émissif provenant de la pastille. Le front de déplétion va alors se déplacer en restant parallèle à une surface hémisphérique et sa surface va augmenter au fur et à mesure que le front va s'enfoncer dans la pastille selon une loi du type : d (t) = A. t1/2 Où d est la distance du front par rapport à sa position initiale, A un coefficient qui dépend de la porosité de la pastille et de la température de fonctionnement, et t la variable temps. La surface du front va alors augmenter selon une loi du type : S (t) = K (R + d (t)) 2 = K (R + A. t1/2) 2 Où R est le rayon initial de la surface 18, et K un coefficient constant défini par la portion de sphère que représente la surface 18. Ainsi la dépendance du flux de matériau émissif par rapport au temps d'utilisation de la pastille est modifiée : l'augmentation de la surface du front de déplétion avec le temps d'utilisation de la cathode met en service une zone de plus en plus grande de la pastille imprégnée ce qui intéresse une quantité de plus en plus grande de matériau émissif : cet effet contre balance les effets naturels de diminution du flux de matériau émissif décrit plus haut de telle façon que dans la structure de l'invention le flux de matériau émissif utile détroit moins rapidement que moins rapidement que dans une structure comme celle de la figure 1. 0n note par ailleurs que cet avantage s'accroît avec le temps. Le tableau ci-dessous montre les variations du front de déplétion, du flux de Baryum et de l'émission de la cathode dans le cas de l'état de la technique illustré par la figure 1 et dans le cas de l'invention. Déplétion ( m) Flux de baryum (% Emission (pA) relatif) Durée cumulée de Cathode invention Cathode Invention Cathode Invention fonctionnement standard standard standard (semaines) 0 0 0 100 87 6300 6300 5 24 24 45 44 6300 6300 10 33 33 32 33 6300 6300 15 41 41 26 28 6300 6300 20 47 47 22 25 6300 6300 30 1 58 58 18 22 6100 6300 40 67 67 16 20 5900 6300 50 75 75 14 18 5700 6300 60 82 82 13 17 5500 6300 70 88 88 12 16 5300 6300 80 94 94 11 16 5100 6300 90 100 100 11 15 4900 6300 105 105 10 15 4700 6100 110 111 111 10 14 4500 5900 120 115 115 9 14 4300 5700 130 120 120 9 14 4100 5500 140 125 125 8 14 4000 5300 150 129 129 8 13 3900 5100 On peut remarquer qu'en se fixant la limite inférieure de l'émission de la cathode à 5100 uA, la durée de vie de la cathode passait de 80 semaines pour la cathode selon l'état de la technique à 150 semaines pour une cathode selon l'invention. Pour réaliser la surface hémisphérique initiale 18, il est possible de partir d'une pastille imprégnée de façon homogène, après masquage d'une partie de la surface supérieure de la pastille, par exemple une zone périphérique de ladite surface, on procède à la dissolution spacialement contrôlée de l'imprégnant de manière à créer une zone hémisphérique avec très peu ou pas du tout d'imprégnant. Il est aussi possible de réaliser cette surface de séparation 18 à partir d'une pastille 11 sur laquelle, par exemple par pressage, on crée mécaniquement une zone hémisphérique 10 vide de tout matériau, puis qu'on imprègne de façon homogène. Dans ce mode de réalisation le matériau émissif franchit la cavité 10 sous forme vapeur et n'a pas à recouvrir la surface des pores comme dans le mode de réalisation précédent. Dans ce cas il peut se créer un problème lors de la mise sous vide du tube à rayons cathodiques équipé d'une telle cathode et particulièrement lorsque la feuille 13 qui recouvre la pastille est poreuse et imprégnée de matériau émissif ; il se crée alors une dépression entre l'air et contenu dans la zone 10 et le vide progressif régnant à l'intérieur du tube, dépression qui peut entraîner la rupture de la feuille 13. La figure 3 illustre un mode de réalisation de l'invention apportant une solution à ce problème ; la cavité 10 est mise à la pression extérieure grâce à au moins un canal 30 réalisé dans la pastille imprégnée 11 reliant la cavité à l'extérieur de la cathode. Dans tous les cas, pour obtenir un effet notable d'allongement de la durée de vie de la cathode, il est souhaitable que la surface développée de la surface de séparation initiale 18 soit supérieure d'au moins 20% à la surface émissive de la cathode. Les modes de réalisation précédents ne sont pas limitatifs ; on peut avantageusement disposer plusieurs cavités concaves sur la surface de la pastille imprégnée ou remplacer la cavité hémisphérique par une surface en forme de demi tore. REVENDICATIONS 1/Cathode imprégnée dont la partie émissive comprend une pastille poreuse imprégnée 11 par un composé de métaux alcalino-terreux, ladite pastille étant disposée dans une coupelle 12 en matériau réfractaire et recouverte par une feuille métallique poreuse 13 constituant la surface émissive de la cathode, caractérisé en ce que la pastille présente une surface de séparation 18 entre une zone fortement imprégnée et une zone 10 pas ou faiblement imprégnée ladite surface de séparation comportant au moins une partie en creux faisant face à la surface émissive. 2/Cathode imprégnée selon la revendication précédente caractérisée en ce que l'espace 10 situé entre la partie en creux et la surface émissive est au moins en partie, vide de tout matériau 3/Cathode imprégnée selon la revendication précédente caractérisée en ce que l'espace vide 10 situé entre la partie en creux et la surface émissive communique avec espace extérieur grâce à au moins un canal 30 4/Cathode imprégnée selon la revendication 1 caractérisée en ce que la partie en creux de la surface de séparation est obtenue par dissolution sélective de l'imprégnant de la pastille 5/Cathode imprégnée selon la revendication 1 caractérisée en ce que la partie en creux est une portion de surface de sphère. 6/Cathode imprégnée selon la revendication 1 caractérisée en ce que la surface développée des parties en creux est supérieure d'au moins 20% à la surface émissive. 7/Cathode imprégnée selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que la surface de la pastille comporte autour de la partie en creux une barrière métallique 21 étanche à la diffusion du matériau émissif. 8 1 Cathode selon la revendication précédente caractérisée en ce que la barrière métallique 21 est constituée par un alliage de métaux à haut point de fusion. 9/Tube à rayons cathodiques caractérisé en ce qu'il comporte une cathode conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.