Brevet FR2833750A1 — publié le 20030620

L'invention concerne un canon à électrons pour tube à rayons cathodiques incorporant un système de cathode à micro-émetteurs du type à émission froide 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 thermoïoniques 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. Par ailleurs, les canons à électrons pour tubes à rayons cathodiques doivent pouvoir fournir sur toute la surface de l'écran image une forme de point d'impact présentant le moins de distorsion possible. Cette exigence est rendue complexe à obtenir pour un tube destiné à reproduire une image en couleurs, du fait que les trois faisceaux issus du canon doivent converger en permanence sur l'écran. En dehors du centre de l'écran, cette convergence est réalisée par un système de déflexion magnétique, encore appelé déviateur, dont les champs de déflexion sont astigmates. L'astigmatisme des champs du déviateur déforme les faisceaux qui traversent sa zone d'action et donc la forme des points d'impact des faisceaux sur l'écran. Comme indiqué dans le brevet US5430349, différents moyens peuvent être mis en oeuvre dans les canons à cathode thermoïonique pour corriger les distorsions des faisceaux engendrées par les champs de déflexion astigmates, comme par exemple un contrôle dynamique de l'astigmatisme. Cependant ces moyens amènent l'introduction de structures additionnelles dans le canon et concourent à l'allongement dudit canon. L'objet de l'invention est d'obtenir un canon à électrons raccourci, c'est-à-dire de moindre longueur dans son axe principal et dont la structure particulière de cathode permet d'offrir un paramètre supplémentaire pour corriger les effets de l'astigmatisme des champs de déflexion sur les faisceaux électroniques ; l'effet de correction de l'astigmatisme des champs de déflexion est obtenu en créant au niveau de la cathode un faisceau dont l'astigmatisme compense en moyenne l'astigmatisme desdits champs de déflexion. Pour cela un canon selon l'invention comprend : - 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 faire converger les micro-faisceaux en une zone virtuelle située en arrière de la cathode, du coté opposé à l'électrode de focalisation, de telle manière que les deux points de convergence des micro-faisceaux suivant les directions horizontale et verticale soient deux points distincts Ox, Oy, de cette zone virtuelle. 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 - La figure 3 illustre en perspective le principe mis en oeuvre par l'invention - Les figures 4a, 4b, 4c, 4d représentent, en coupe et en perspective une structure de cathode à micro pointes selon un premier mode de réalisation de l'invention. - Les figure 5a, 5b, 5c, 5d, représentent, en coupe et en vue de face, 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 électrique 31, 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 a. par rapport audit axe de propagation ; la lentille électrostatique Lf, dite de focalisation principale, 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, C (e 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 4c 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 ralentir 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, 30. 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. Le principe de l'invention est illustré par la figure 3, Une cathode à micro-émetteurs, par exemple la cathode 23, émet une multitude de microfaisceaux 26. Vus dans le plan de symétrie de la cathode XZ les microfaisceaux forment un cône d'émission dont le sommet virtuel forme une zone sensiblement ponctuelle Ox située sur l'axe Z en arrière de la cathode, avec un angle au sommet Ox. Vus dans le plan de symétrie YZ, les micro-faisceaux forment un cône d'émission, d'angle au sommet Oy, dont le sommet virtuel foeme une zone sensiblement ponctuelle Oy, située sur l'axe Z en arrière de la cathode. Les cônes d'émission des micro-faisceaux vus dans des plans contenant l'axe Z paraîtront issus d'un sommet virtuel situé dans la zone 40 délimitée par les point Ox et Oy. Dans l'exemple illustré par la figure 3 le point Ox est situé plus prés de la cathode que le point Oy, ce qui entraîne que Ox est supérieur à Oy. Ainsi dans un plan perpendiculaire à la propagation des micro-faisceaux, le faisceaux global issu de la cathode 23 paraîtra plus allongé dans la direction parallèle à Ox. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, illustré par les figures 4a, 4b, 4c, 4d 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 courbe de façon à ce le faisceau électronique global 32 issu de la cathode soit constitué par les micro-faisceaux émis par les micro-émetteurs distribués sur ladite surface, les axes 26 des micro-faisceaux convergeant en une zone 40 située en arrière de la cathode, zone constituant dans ce cas un"cross over"virtuel. En considérant, selon la figure 4b, un plan de coupe contenant l'axe de propagation Z et en prenant une périphérie de la zone émissive de la cathode 23 de forme sensiblement circulaire, les axes 26 des micro-faisceaux électroniques 20 sont distribués dans une ouverture angulaire ae par rapport à l'axe Z, 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 4a, 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. 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 5 , 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. La figure 4d illustre en perspective la façon d'introduire au niveau de la cathode émissive un faisceau astigmate, dont l'astigmatisme est destiné à compenser l'astigmatisme provoqué par les champs de déflexion. Pour cela la surface émissive de la cathode 23 est courbe, avec des rayons de courbure suivant des plans de coupe incluant l'axe de propagation Z non constants. Ainsi, dans le mode de réalisation illustré par la figure 4d le rayon de courbure vertical Ry de la surface émissive est plus important que le rayon de courbure horizontal Rx. De cette façon le faisceau émis par la cathode sera plus divergent dans le sens horizontal que vertical. Ce mode de réalisation n'est pas limitatif, Rx peut être choisi plus grand que Ry si nécessaire du fait de l'astigmatisme à compenser, introduit par la lentille de focalisation principale et/ou des champs magnétiques de déflexion. Dans un deuxième mode de réalisation de l'invention, illustré par les figures 5a à 5d, 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 la direction de propagation Z du faisceau global 32 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 Z, 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 5c et 5d, 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 de propagation Z. 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'astigmatisme du faisceau créé par la cathode est réalisé grâce à des lois de variation du décentrage 54 différentes suivant les positions des micro-émetteurs. Ainsi qu'illustré par la figure 5d, des micro-émetteurs 12 situés à la même distance du centre 0 de la cathode 53 sont plus ou moins décentrés par rapport au centre des orifices (55) suivant qu'ils sont situés le long de l'axe vertical Y ou horizontal X. Dans le cas de la figure 5d, le fait que, pour une même distance au centre de la cathode, les micro-émetteurs soient décentrés d'une valeur 54x plus faible selon la direction horizontale que la valeur 54y selon la direction verticale, va induire un faisceau plus divergent dans la direction verticale qu'horizontale. L'invention présente un autre avantage qui résulte du fait que les micro-émetteurs par émission froide permettent de réaliser des cathodes qui sont moins sensibles à la valeur du courant d'émission que les cathodes thermoïoniques. En effet, pour ce dernier type de cathode, la zone émissive augmente avec le courant émis et la modification de la taille du faisceau modifie l'astigmatisme du faisceau et le compromis entre cet astigmatisme et les effets dus à l'astigmatisme des champs de déflection. Dans le cas de cathode à micro émetteurs par émission froide, la surface émissive ne varie pas en fonction du courant émis et le mise en oeuvre de l'invention évite d'avoir à recourir à des moyens additionnels, à la fois complexes et coûteux, de contrôle de l'astigmatisme du faisceau en fonction du courant. Dans le cas où l'on s'intéresserait au seul contrôle de l'astigmatisme du faisceau émis par une cathode à micro-émetteurs, sans s'intéresser au raccourcissement du canon, l'invention peut être mise en oeuvre en faisant en sorte que la zone 40 soit réelle et donc que les points de convergence du faisceau selon les directions verticale et horizontale soient situés entre la cathode et l'électrode de focalisation principale. Cela revient à avoir, dans le cas par exemple du premier mode de réalisation une cathode dont la surface émissive est courbée en sens inverse du sens illustré par la figure 4d. De même dans le cadre du deuxième mode de réalisation, le décentrage 54 en direction du centre 0 de la cathode de manière à faire converger les microfaisceaux entre la cathode et la lentille de focalisation. 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 tube en couleurs de type index ou dans un canon à trois faisceaux pour tube en couleurs. REVENDICATIONS 1/Canon à électrons pour tube à rayons cathodiques comprenant : - 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 un faisceau électronique composé d'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 (40), de telle manière que le faisceau électronique (32), composé des micro-faisceaux, suivant les directions horizontale et verticale converge en deux zones sensiblement ponctuelles et distinctes Ox, Oy, de cette zone (40). 2/Canon à électrons selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens (23,53) font converger les micro-faisceaux en une zone virtuelle (40) située en arrière de la cathode, du coté opposé à l'électrode de focalisation 3/Canon selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens de convergence consistent en ce que la partie émissive de la cathode (23) ait une surface courbe ayant deux rayons de courbure distincts suivant les directions horizontale et verticale. 4/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) pour créer dans la zone d'émission du micro faisceau une asymétrie spatiale de champ électrique. 5/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 par rapport aux micro-émetteurs et en ce que la loi de variation de la valeur du décentrage (54x) selon une direction du plan de l'électrode soit différente de la loi de variation du décentrage (54y) suivant une autre direction du même plan 6/Canon à électrons selon la revendication précédente caractérisé en ce que le décentrage varie linéairement par rapport à la distance à l'axe central de la cathode 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