Brevet FR2837978A1 — publié le 20031003

perpendiculaire au plan des lames. L'invention concerne une structure de cathode du type à émission par effet de champ et plus particulièrement adaptée à une utilisation demandant une source d'électrons la plus ponctuelle possible et pouvant fournir une grande densité de courant comme les cathodes pour tubes à rayons cathodiques destinés à la télévision, les sources électroniques pour microscopes à balayage, les équipements exploitant des faisceaux fins d'électrons comme les équipements de lithographie ou de soudure par faisccaux électroniques. Un canon à électrons conventionnel, utilisant une ou des cathodes thermooniques 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 11 0 , 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 logèrement 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. Par ailleurs ce type de cathode a aussi comme avantage de rendre instantané l'affichage de l'image au démarrage du tube dans lesquels elle servent de sources d'électrons, de supprimer l'instabilité des couleurs pendant les minutes qui suivent le démarrage, et de réduire la puissance consommée par les cathodes. Cependant, remplacer une source thermoonique d'électrons par une source composée d'émetteurs par effet de champ 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 thermooniques. Ainsi, une source d'électrons extraits par émission froide atteint difficilement une densité de courant de l'ordre de 2 à 3 A/cm2 alors qu'une cathode thermoonique atteint aisément une densité de courant de l'ordre de 30A/cm2. Un premier objet de l'invention est une structure de cathode à émission froide permettant d'obtenir une densité de courant importante ainsi qu'un faisceau dont la finesse permette l'application d'une telle cathode dans des applications comme les tubes à haute résolution. Pour cela le dispositif pour émettre un faisceau d'électrons selon l'invention comprend: - au moins une cathode à émission froide - une électrode de forme sensiblement pyramidale, recouverte d'une couche de matériau ayant un coefficient d'émission secondaire au moins égal à 1, la dite couche étant destinée à assurer le transport d'électrons secondaires de la base de l'électrode vers sa pointe, lesdits électrons secondaires étant générés par les électrons incidents provenant de la cathode à émission froide - des moyens pour générer, à la surface de l'électrode, un champ électrique tangentiel croissant de la base de l'électrode vers sa pointe - des moyens pour extraire les électrons secondaires de la pointe de l'électrode pour générer un faisccau d'électrons 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 illustre un mode de réalisation selon l'état de la technique d'une source d'électrons utilisant un dispositif de génération d'un faisceau d'électrons obtenus par émission secondaire. - La figure 2 est une vue en coupe d'une cathode émissive à micro pointes. - La figure 3 est une vue en coupe d'une structure émissive selon I' invention - La figure 4 représente, en coupe le fonctionnement d'une structure émissive selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 1 illustre un mode de réalisation d'une source d'électrons 1, décrit dans le brevet US5270611, destiné à générer un faisceau électronique à haute densité. La source 1 comprend une cathode thermo70nique 2 avec un filament chauffant 3, une couche émissive 5 supportée par une coupelle 4. Les électrons sont émis par la cathode en direction d'une cavité allongée 10, ouverte du coté de la cathode et fermoe par des parois 7,8,9. La cavité est réalisée dans un matériau isolant électriquement et ayant un coefficient d'émission secondaire au moins égal à 1. Une des parois a une ouverture 11 autour de laquelle est disposée une électrode anodique 12. Une différence de potentiel est appliquée entre la cathode et l'électrode 12 pour générer un champ suffisant pour transporter les électrons dans la cavité 10 et lui faire traverser l'ouverture 11. Le transport des électrons s'effectue par un processus d'émission secondaire, dans lequel pour chaque électron venant frapper l'un des murs de la cavité, au moins un électron secondaire est en moyenne émis. Cette solution produit une source d'électrons dont la densité de courant est plus importante que celle de la cathode initiale, mais elle présente plusieurs inconvénients: - une partie des électrons qui cheminent par émission secondaire sur les parois ne passe pas directement à travers l'orifice 11, mais est captée par l'électrode anodique 12; en effet des électrons ont une trajectoire qui percute cette électrode car des électrons cheminent par très petits sauts de long des parois et donc peuvent lors du saut suivant percuter l'anode; par conséquent l'anode consomme une partie du courant émis par la cathode de départ. -si cet inconvénient est résolu en appliquant un champ électrostatique d'extraction suffisamment fort, alors il appara^'t un autre inconvénient: la lentille électrostatique produite par ce champ fort a de fortes aberrations, donc l'émittance du faisceau électronique est dégradée, et il en résulte une résolution dégradée du canon à électrons utilisant cette source. -si une cathode chaude, telle qu'une cathode à oxydes ou une cathode imprégnée, est utilisoe comme source initiale d'électrons, du baryum s'évapore peu à peu de la surface de cette cathode et vient se déposer sur les parois de la cavité; or ces parois ont été préparées pour avoir un coefficient d'émission secondaire adapté, généralement en les recouvrant d'un dépôt d'un matériau approprié tel que l'oxyde de Magnésium MgO; le risque durant le fonctionnement de la source, est donc de voir le baryum dégrader les propriétés d'émission secondaire en recouvrant les parois. La source d'électrons selon l'invention utilise au moins une cathode à émission froide 20 telle qu'illustrce par la figure 2. Une telle cathode comporte des micro-émetteurs, par exemple des micro-pointes 21 émissives par effet de champ, deux électrodes de polarisation 25 et 23 placées l'une au dessus de l'autre à une distance de l'ordre du micron. L'électrode 25 ou conducteur cathodique permet la polarisation des micro- pointes 21 qui sont formées sur le conducteur cathodique. Le conducteur cathodique est déposé sur un substrat 22, généralement en verre assurant une rigidité mécanique à la cathode. Une couche résistive 27 peut être avantageusement déposée entre les micro pointes et le conducteur cathodique 25 pour améliorer l'uniformité d'émission de chaque micro pointe. Une deuxième électrode encore appelée grille d'extraction 23 est disposoe au dessus du conducteur cathodique 25 duquel elle est isolée par une couche d'isolant électrique 28. La grille d'extraction est ajourée au dessus de chaque micro pointe, laquelle émet un micro faisccau d'électron 24 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. Un mode de réalisation de l'invention, adapté pour être utilisé comme source à électrons dans un canon pour tube à rayons cathodiques, est illustré en coupe à ia figure 3. La source d'électrons utilise une électrode émissive sous forme d'une aiguille centrale 31 sensiblement pyramidale. L'aiguille a une longueur de l'ordre de 5 à 10 mm et un diamètre d'environ 3mm à sa base évasée et moins de 1mm à sa pointe. L'aiguille est composée d'un corps creux 33 en matériau isolant, dont ia résistivité est choisie de manière à ce qu'en portant sa base 34 et son extrémité 35 à des potentiels différents, il se crée à la surface de l'aiguille un potentiei croissant de sa base 34 à son extrémité 35. Le matériau constituant le corps 33 peut être du verre ou une céramique, par exemple à base d'oxydes d'aluminium Al2O3 ou de Siliclum SiO2. Sur la surface extérieure de l'aiguille est disposé une fine couche 37 de matériau résistif ayant un coefficient d'émission secondaire au moins égal à 1. Le matériau choisi pour réaliser cette couche 37 peut être avantageusement choisi parmi les oxydes de Magnésium, Calcium, Strontium, Baryum ou Béryllium. Alternativement la couche 37 peut être un film organique, par exemple un film de polyamide. L'aiguille 31 est creuse et l'évidemment intérieur 32 s'étend longitudinalement de sa base vers son extrémité. Un conducteur métallique 36 est inséré dans I'évidemment 32 pour amener le potentiel de l'extrémité 35 de l'aiguille à une valeur V supérieure au potentiel de la base 34 grâce à une source d'alimentation 50; la base 34 peut être par exemple reliée à la masse ou à un potentiel de polarisation Vo. Ainsi on va créor le long de la couche 37 un champ électrique tangentiel à la surface de l'aiguille 31. Il est préférable par ailleurs de ne pas utiliser une aiguille de grande longueur pour ne pas avoir à utiliser une différence de potentiel très élevée entre la base de l'aiguille et son extrémité. Une électrode 40 est placoe à proximité de l'extrémité 35 de l'aiguille 31; cette électrode 40 est munie d'un trou central 45 ayant le même axe que l'aiguille et qui est contenu dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal de ladite aiguille; cette électrode peut être suivie d'une succession d'électrodes pour former un canon à électrons. L'électrode 40 est portée à un potentiel supérieur de V'au potentiel V de la pointe grâce à une source 51. La source primaire d'électrons est constituée par au moins une cathode à émission froide 20, par exemple une cathode à micro-pointes comme décrite à la figure 2; cette cathode est disposée de manière à ce que les micro faisccaux 24 qu'elle émet soient dirigés vers la base évasée de l'aiguille 31. Le fonctionnement de la source est illustré par la figure 4. - d es m icro-fa iscca ux d 'électron s 24 sont ém is pa r les cathodes froid es en direction de la base de l'aiguille, - ces électrons percutent la base et produisent des électrons secondaires 42 au cours de leur trojet de la base vers l'extrémité de l'aiguille; les électrons primaires traversent d'abord un champ électrique longitudinal et orienté selon la perpendiculaire à la surface de la cathode froide, puis un champ transversal, orienté parallèlement à la surface de l'aiguille; dans la région proche de l'aiguille la composante transversale du champ est prépondérante sur la composante longitudinale, de sorte que les trejectoires des électrons incidents se courbent vers la pointe de l'aiguille, et les électrons secondaires 42 ont des trejectoires en forme de petits sauts en direction de l'extrémité. - des électrons réfléchis, (ceux émis avec la même énergie que les électrons incidents) sont pour une partie captés par les cathodes de départ, plus exactement par la grille d'extraction/accélération de ces cathodes, et pour l'autre partie sont transportés comme les électrons secondaires vrais; les électrons réfléchis représentent une petite fraction du total des électrons secondaires (moins de 1 0%); les électrons réfléchis, qui sont captés par les cathodes de départ, y atterrissent avec une énergie correspondant au potentiel de la surface qu'ils impactent c'est-à-dire au potentiel de la grille d'extraction de la cathode froide; cette énergie est de 50 à 100eV, ce qui est une énergie modérée; par conséquent ces électrons captés par les cathodes de départ sont peu nombreux, ont peu d'énergie, et donc ne causent pas d'endommagement par échauffement. - les électrons secondaires vrais 42 (ceux émis à basse énergie, de l'ordre de 2eV), subissent le champ électrique tangentiel à la surface et sont donc transportés à la surface de l'aiguille vers la pointe; il s'agit d'un transport de proche en proche " en cascade >> dans lequel un électron qui retombe sur la surface y génère en moyenne un électron émis par émission secondaire de sorte que le courant d'électrons se perpétue le long de l'aiguille. - le champ tangentiel s'annule à proximité de la pointe, mais le champ extracteur produit par l'électrode 40 prend le relais pour créor un champ tangentiel dans la région de la pointe, ainsi c'est le champ extracteur qui provoque le transport des électrons jusqu'à la pointe, et les électrons ne sont extraits que de la pointe parce qu'ailleurs le champ est insuffisant. - le champ extracteur, représenté par les lignes de champs 52, provoque I'émission d'un faisceau électronique 41 issus de la pointe, puisque le champ extracteur atteint sa valeur maximale à ladite pointe en raison de l'effet de champ; ici est exploité l'effet d'amplification du champ produit par la pointe, nommé l'effet de pointe; ce champ d'extraction est donc très localisé à la pointe, il en résulte que la surface émissive est également très localisée à la pointe; cet effet de pointe permet d'obtenir un faisceau électronique très concentré et peut être utilisé comme source électronique dans un canon à électrons pour tube à haute résolution, canon qui fait alors l'image du point objet constitué par la pointe émissive. L'invention n'est pas limitée à la réalisation de cathodes dont les microémetteurs 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 carbons. 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 faisccaux pour tube en couleurs. REVENDICATIONS 1/ Source d'électrons pour générer un faisceau électronique comprenant: au moins une cathode à émission froide (20) - une électrode émissive (31) en forme d'aiguille, recouverte d'une couche (37) de matériau ayant un coefficient d'émission secondaire au moins égal à 1, la dite couche étant destince à assurer le transport d'électrons secondaires (42) de la base de l'électrode vers sa pointe, lesdits éiectrons secondaires étant générés par les électrons incidents (24) provenant de la cathode à émission froide - des moyens (32,36,50) pour générer un champ électrique tangentiel croissant de la base de l'électrode émissive vers sa pointe - des moyens(40,51) pour extraire les électrons secondaires de la pointe de l'électrode émissive afin de générer un faisceau d'éiectrons (41) 2/ Source d'électrons selon la revendication 1 caractérisé en ce que la cathode à émission froide émet en direction de la base de l'électrode en forme d'aiguille (31) 3/ Source d'électrons selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens pour générer un champ électrique tangentiel comprennent - un conducteur (36) logé dans un évidemment (32) pratiqué dans l'électrode (31) pour amener la pointe de ladite électrode à un potentiel déterminé - des moyens (50) pour amener la base de l'électrode (31) à un potentiel inférieur à celui de sa pointe. 4/ Source d'électrons selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens extra i re l es électrons seconda i res de la poi nte de l'électrode émissive afin de générer un faisccau d'électrons consistent en au moins une électrode d'extraction (40) disposoe prés de la pointe de l'électrode émissive et comportant au moins une ouverture (45) contenue dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal de ladite électrode émissive. / Source d'électrons selon la revendication 1 caractérisé en ce que le matériau constituant le corps (33) de l'électrode émissive est un matériau 1 0 isolant 6/ Source d'électrons selon la revendication précédente caractérisé en ce que le matériau isolant est une céramique à base d'oxydes d'aluminium ou de silicium 7/ Source d'électrons selon la revendication 1 caractérisé en ce que la couche (37) de matériau ayant un coefficient d'émission secondaire au moins égal à 1 est réalisée à partir d'oxydes de corps comme le magnésium, le calcium, le strontium, le béryllium ou le baryum. 8/ Source d'électrons selon la revendication 1 caractérisé en ce que la couche (37) de matériau ayant un coefficient d'émission secondaire au moins égal à 1 est une couche de matériau organique, par exemple du polyamide 9/ Tube à rayons cathodiques comportant un canon à électrons générant au moins un faisceau d'électrons grâce à une source d'électrons