Brevet FR3095074A1 — publié le 20201016

Description Titre de l'invention : Electrode à faible émissivité électronique [0001] L'invention porte sur de nombreux domaines de l'électronique, tels des appareils de soudure par bombardement électronique, des tubes électroniques, des accélérateurs de particules, ou des microscopes électroniques, dans lesquels on utilise des électrodes portées à des potentiels électriques variables. [0002] La plupart de ces électrodes ne sont pas conçues pour émettre des électrons, mais peuvent présenter une émission électronique parasite qui dépend du champ électrique, du travail de sortie et de la température dans la zone la plus émissive de la surface de l'électrode. Pour les métaux, les semi-conducteurs et. les composés métalliques ou semi-métalliques, le travail de sortie est défini par l'énergie nécessaire pour extraire un électron du matériau vers le vide. [0003] Dans ce type d'électrode, on tente de maintenir la densité de courant de l'émission électronique parasite en dessous d'un seuil prédéfini, typiquement. de 1 mA/cm2, sur certaines zones de la surface de l'électrode pendant toute sa durée de fonctionnement. [0004] La solution la plus couramment adoptée consiste à baisser la température de fonc- tionnement de l'électrode ou à diminuer le champ électrique en sa surface afin de diminuer l'émission électronique parasite. Toutefois, cela n'est pas toujours possible, notamment pour les électrodes proches d'une cathode thermoïonique dans un canon électronique, comme illustré sur les figures la (en coupe) et lb (en perspective) pour un wehnelt. 1 proche d'une cathode 2 dans un canon comprenant une anode 3. [0005] Un wehnelt. est une électrode qui entoure la cathode et. a la topologie d'un cylindre à un seul fond percé d'un trou. [0006] Dans certains cas, l'émission électronique peut également être supprimée par une fixation mécanique, en surface de l'électrode, d'une pièce usinée dans un matériau antiémissif L'anti-émissivité désigne une faible émissivité électronique, correspondant à une densité de courant inférieure au seuil tolérable de 1 mA/cm2. Cependant, il est compliqué de maintenir un contact parfait entre le matériau usiné et l'électrode au cours du fonctionnement à haute température. La recristallisation du matériau et/ou la simple différence de dilatation thermique entre les deux éléments peuvent fragiliser et altérer le bon fonctionnement de l'ensemble. [0007] On entend par matériau anti-émissif un matériau à faible émissivité électronique, i.e. inférieure à 1 mA/cm2. [0008] Le dépôt, comme illustré sur la figure 2, d'une ou plusieurs couches minces 4 en matériau anti-émissif sur le substrat 5, est également une solution qui a été proposée. Dans certains cas, des réalisations avec un système simple de matériaux ont présenté des réactions chimiques et des dégradations d'origine thermomécanique. Dans d'autres 2 cas, il se produit une diffusion atomique et/ou une réaction chimique entre le substrat 5 et la ou les couches anti-émissives, conduisant à une dégradation des propriétés and-émissives de cette ou ces couches 4. [0009] Le substrat de l'électrode peut comprendre un métal ou un matériau non métallique recouvert d'une couche de matériau conducteur électrique. [0010] Un but de l'invention est de pallier les problèmes précédemment cités, et notamment de limiter l'émission électronique parasite. [0011] Il est proposé, selon un aspect de l'invention, une électrode comprenant un substrat 5 et au moins une couche anti-émissive d'électrons en matériau anti-émissif, comprenant au moins une couche intermédiaire en matériau limitant la diffusion atomique et/ou les réactions chimiques entre le substrat et la couche anti-émissive. La ou les couches intermédiaires comprennent des oxydes de métaux de transition et/ou des nitrures de métaux de transition et/ou des carbures de métaux de transition et/ou des borures de métaux de transition et/ou des siliciures de métaux de transition et/ou des métaux de transition. [0012] Ainsi, on limite la diffusion d'atonies indésirables susceptibles d'abaisser le travail de sortie de la couche anti-émissive, et on limite donc l'émission électronique parasite. [0013] L'invention permet de retarder l'instant auquel on atteint le seuil critique de densité de courant d'émission électronique à partir de la couche anti-émissive. [0014] L'invention permet d'assurer également une adhérence satisfaisante des couches sur le substrat, de gérer les effets de dilatation différentielle. [0015] On entend par métaux de transition les métaux dont les numéros atomiques sont : compris entre 21 et 30, compris entre 39 et 48, égal à 57, ou compris entre 72 et 80. On inclut également dans les métaux de transition les lanthanides de numéros atomiques compris entre 58 et 71. [0016] L'utilisation de tels matériaux permet une faible diffusion et une faible réactivité chimique vis-à-vis des matériaux les plus répandus. [0017] Selon un mode de réalisation, une couche intermédiaire comprend des oxydes de métaux réfractaires et/ou des nitrures de métaux réfractaires et/ou des carbures de métaux réfractaires et/ou des borures de métaux réfractaires et/ou des siliciures de métaux réfractaires et/ou des métaux réfractaires. [0018] Les métaux réfractaires et leurs composés cités permettent une faible diffusion et une faible réactivité chimique vis-à-vis des matériaux les plus répandus, ainsi qu'une très bonne tenue à haute température de par leur température de fusion élevée, supérieure à 1650 °C. [0019] On entend par métaux réfractaires, une partie des métaux de transition, dont la tem- pérature de fusion est supérieure à 1650 °C : Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Re, Ru, Os, Rh, h-. 3 [0020] Dans un mode de réalisation, une couche intermédiaire comprend des oxydes de métaux réfractaires du premier groupe et/ou des nitrures de métaux réfractaires du premier groupe et/ou des carbures de métaux réfractaires du premier groupe et/ou des borures de métaux réfractaires du premier groupe et/ou des siliciures de métaux réfractaires du premier groupe et/ou des métaux réfractaires du premier groupe. [0021] Les métaux réfractaires du premier groupe et leurs composés cités permettent une faible diffusion et une faible réactivité chimique vis-à-vis des matériaux les plus répandus, ainsi qu'une très bonne tenue à haute température de par leurs températures de fusion supérieures à 2450 'C. [0022] On entend par métaux réfractaires du premier groupe, une partie des métaux ré- fractaires, dont la température de fusion est supérieure à 2450 °C : Nb, Ta, Mo, W, Re. [0023] Selon un mode de réalisation, l'épaisseur d'une couche intermédiaire et de la couche anti-émissive est comprise entre 0,1 et 20 pm. [0024] Ainsi, on peut utiliser des procédés de dépôt de couches minces à basses tem- pératures. L'épaisseur de la ou des couche intermédiaires permet de tolérer une longueur de diffusion assez élevée pour garantir l'anti-érnissivité de la couche surfacique. [0025] L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels les figures : [0026] [fig.la] illustre schématiquement une électrode munie d'un wehnelt, selon l'état de la technique, selon une vue de coupe ; [0027] [fig.lb] illustre schématiquement une électrode munie d'un wehnelt, selon l'état de la technique, selon une vue en perspective ; [0028] [fig.2] illustre schématiquement une électrode munie d'une ou plusieurs couches minces en matériau anti-émissif sur le substrat, selon l'état de la technique ; [0029] [fig.3] illustre schématiquement un mode de réalisation d'un système, selon un aspect de l'invention. [0030] Sur l'ensemble des figures, les éléments ayant des références identiques sont si- milaires. [0031] Dans la présente description, les modes de réalisation décrits ne sont pas limitatifs, et les caractéristiques et fonctions bien connues de l'homme du métier ne sont pas décrites en détails. [0032] La figure 3 représente une électrode selon un aspect de l'invention comprenant un substrat 5 et au moins une couche anti-émissive 4 en matériau anti-émissif. L'électrode comprend en outre au moins une couche intermédiaire 6 en matériau limitant la diffusion atomique et/ou la réaction chimique entre le substrat 5 et la couche antiémissive 4. La ou les couches intermédiaires 6 comprennent des oxydes de métaux de transition et/ou des nitrures de métaux de transition et/ou des carbures de métaux de transition et/ou des borures de métaux de transition et/ou des siliciures de métaux de transition et/ou des métaux de transition. [0033] La figure 3 représente le cas non limitatif, dans lequel l'électrode comprend une seule couche anti-émissive 4 et une seule couche intermédiaire 6 en matériau limitant la diffusion atomique et/ou la réaction chimique entre le substrat 5 et la couche antiémissive 4, mais l'électrode selon l'invention peut également contenir plusieurs couches anti-émissives 4 et/ou plusieurs couches intermédiaires 6. [0034] Une couche intermédiaire peut comprendre des oxydes de métaux réfractaires et/ou des nitrures de métaux réfractaires et/ou des carbures de métaux réfractaires et/ou des borures de métaux réfractaires et/ou des siliciures de métaux réfractaires et/ou des métaux réfractaires. Ainsi on assure une bonne adhérence, un faible coefficient de diffusion et une bonne tenue à la dilatation thermique pour des températures élevées. Certains composés ont des températures de fusion supérieures aux températures dc fusion des éléments purs. Par exemple, il est connu que la température de fusion du composé MoC est supérieure à celle du Mo pur. [0035] Une couche intermédiaire peut comprendre des oxydes de métaux réfractaires du premier groupe et/ou des nitrures de métaux réfractaires du premier groupe et/ou des carbures de métaux réfractaires du premier groupe et/ou des borures de métaux réfractaires du premier groupe et/ou des siliciures de métaux réfractaires du premier groupe et/ou des métaux réfractaires du premier groupe. Ainsi on assure une bonne adhérence, un faible coefficient de diffusion et une bonne tenue à la dilatation thermique pour des températures supérieures aux températures de fusion des éléments purs. [0036] L'épaisseur d'une couche intermédiaire et de la couche anti-émissive est comprise entre 0,1 et 20 pm, ce qui permet l'utilisation de procédés de dépôt de couche mince à basses températures. [0037] La couche anti-émissive de l'électrode peut comprendre du hafnium et/ou du zirconium et/ou du carbone et/ou de l'azote. De tels matériaux permettent de garantir un travail de sortie élevé, une faible pression de vapeur saturante et une température de fusion élevée. [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5] REVENDICATIONSElectrode comprenant un substrat (5) et au moins une couche antiémissive (4) en matériau anti-émissif, caractérisé en ce qu'elle comprend au moins une couche intermédiaire (6) en matériau limitant la diffusion atomique et/ou la réaction chimique entre le substrat et la couche antiémissive, une couche intermédiaire comprenant des oxydes de métaux de transition et/ou des nitrures de métaux de transition et/ou des carbures de métaux de transition et/ou des borures de métaux de transition et/ou des siliciures de métaux de transition et/ou des métaux de transition. Electrode selon la revendication 1, dans laquelle une couche intermédiaire (6) comprend des oxydes de métaux réfractaires et/ou des nitrures de métaux réfractaires et/ou des carbures de métaux réfractaires et/ou des borures de métaux réfractaires et/ou des siliciures de métaux réfractaires et/ou des métaux réfractaires. Electrode selon la revendication 2, dans laquelle une couche intermédiaire (6) comprend des oxydes de métaux réfractaires du premier groupe et/ou des nitrures de métaux réfractaires du premier groupe et/ou des carbures de métaux réfractaires du premier groupe et/ou des borures de métaux réfractaires du premier groupe et/ou des siliciures de métaux réfractaires du premier groupe et/ou des métaux réfractaires du premier groupe. Electrode selon l'une des revendications précédentes dans laquelle l'épaisseur d'une couche intermédiaire (6) et de la couche anti-émissive est comprise entre 0,1 et 20 Electrode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la couche anti-émissive (4) comprend du hafnium et/ou du zirconium et/ou du carbone et/ou de l'azote.