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(11) | EP 0 013 201 A1 |
| (12) | DEMANDE DE BREVET EUROPEEN |
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| (54) | Cathode à chauffage direct et tube électronique haute fréquence comportant une telle cathode |
| (57) L'invention a pour objet une cathode à émission thermoélectronique à chauffage direct. Elle comporte un support (1 ) en graphite pyrolytique et un matériau thermoémissif (2) à base d'hexaborure de lanthane, ces deux éléments étant séparés par une couche (3) formant barrière de diffusion, constituée par un carbure de tantale ou de hafnium, un métal de la famille du platine, ou un composé de bore, Elle est utilisable notamment dans les tubes haute fréquence du type triode, tétrode ou pentode. |
[0001] La présente invention a pour objet une cathode pour tube électronique haute fréquence, et plus particulièrement une cathode à émission thermoélectronique à chauffage direct. Elle a également pour objet un tube électronique comportant une telle cathode.
[0002] Dans les tubes électroniques haute fréquence du type triode, tétrode ou pentode qui comportent une cathode, une anode et une, deux ou trois grilles, il est avantageux de réaliser les grilles en graphite pyrolytique, matériau connu pour ses qualités mécaniques et thermiques. Toutefois, dans ces mêmes tubes, les cathodes sont généralement réalisées en fils de tungstène thorié pour des raisons d'émissivité thermoélectronique. Il se pose alors, en fonctionnement, des problèmes mécaniques du fait de la différence de comportement thermique de ces matériaux. Ces problèmes ne sont résolus qu'imparfaitement par des montages mécaniques coûteux ou des conditions d'utilisation des tubes par ailleurs contraignantes, telles que l'allumage permanent des cathodes par exemple.
[0003] La présente invention a pour objet une cathode permettant d'éviter les problèmes thermo- mécaniques à l'intérieur du tube tout en assurant une bonne émissivité thermoélectronique. Elle comporte à cet effet un support en graphite pyrolytique et un matériau thermoémissif à base d'hexaborure de lanthane, le support et le matériau thermoémissif étant séparés par une couche formant barrière de diffusion entre ces deux éléments.
[0004] D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante et des dessins annexés, ou :
- la figure 1 représente, vu en coupe, un mode de réalisation de la cathode selon l'invention ;
- la figure 2 représente une variante de réalisation de la cathode représentée sur la figure 1.
[0006] Sur la figure 1,.on a donc représenté un premier mode de réalisation de la cathode selon l'invention, dans lequel elle comporte trois éléments :
- un support 1 de préférence en graphite pyrolytique ;
- une couche 2 d'un matériau émissif ;
- une couche intermédiaire 3, formant barrière de diffusion entre les éléments 1 et 2.
[0007] En ce qui concerne le support 1, le graphite pyrolytique est préféré à d'autres matériaux pour deux raisons principales :
- la première tient aux qualités du graphite pyrolytique lui-même : en effet, celui-ci n'est pas isotrope et présente, dans le plan du dépôt, une assez bonne conductivité électrique et une très bonne conductivité thermique, alors que dans une direction normale au dépôt, ces conductivités sont faibles ; par ailleurs, il présente de faibles coefficients de dilatation et de bonnes propriétés mécaniques à haute température ; cela permet un chauffage direct de la cathode par circulation de courant dans le support 1, jusqu'à de hautes températures (1000° à 20009 C par exemple) ;
- la seconde tient à l'insertion de la cathode dans un tube électronique comportant une ou plusieurs grilles, elles-mêmes réalisées en graphite pyrolytique : l'utilisation d'un même matériau pour la réalisation de la cathode et des grilles conduit à une meilleure définition géométrique de la structure interne du tube.
[0008] La couche 2 de matériau émissif est rendue nécessaire par le choix du graphite pour le support 1 ; en effet, le graphite est un mauvais émetteur thermoélectronique, le travail de sortie d'un électron étant de l'ordre de 4,7 eV. On dispose alors à sa surface un matériau 2 bon émetteur, tel qu'un composé boré des lanthanides, par exemple de l'hexaborure de lanthane (LaB6), ou un mélange d'hexaborure de lanthane et d'un autre matériau permettant de diminuer encore le travail de sortie, tel qu'un autre lanthanide. L'avantage des composés de ce type est qu'ils sont bons émetteurs à des températures plus faibles que d'autres matériaux émissifs connus ; la température d'utilisation d'une cathode en hexaborure de lanthane peut être de l'ordre de 1300° à 1600Q, alors que celle d'une cathode en tungstène ou tungstène thorié, matériaux souvent utilisés, se situe vers 1900°-2000° C.
[0009] Toutefois, un inconvénient de tels matériaux pour réaliser la couche émissive 2 est leur grande activité chimique vis-à-vis du graphite, à chaud. Il se produit alors, par exemple dans le cas du BaB6, formation d'un carbure de bore et libération de lanthane, qui a une tension de vapeur élevée comparée à celle de l'hexaborure de lanthane, selon la réaction suivante :
ce qui conduit à la destruction de la cathode.
[0010] Pour éviter ce phénomène, on dispose entre les éléments 1 et 2 une couche 3 destinée à isoler les atomes de carbone des atomes de l'hexaborure de lanthane.
[0011] Deux solutions sont possibles pour interdire la réaction précédente :
- dans un premier mode de réalisation, on dépose une couche (3) d'un matériau pour lequel on ne connaît pas de réaction chimique avec le carbone et l'hexaborure de lanthane, tel qu'un métal de la famille du platine : platine, osmium, rhénium ou iridium.
- dans un deuxième mode de réalisation, la couche intermédiaire 3 est constituée par un composé de bore d'un métal de transition des colonnes IV B (titane, zirconium ou hafnium) ou V B (niobium ou tantale par exemple) de la classification périodique des éléments. Les diborures de ces corps sont stables et l'occupation des sites intersticiels du métal par des atomes de bore interdit la diffusion des atomes de bore appartenant à la couche émissive 2.
[0012] Dans une variante de réalisation, lorsqu'il est nécessaire non plus d'interdire la réaction chimique rappelée ci-dessus, mais de la retarder, dans le cas par exemple où la durée de vie du tube est limitée par ailleurs, la couche intermédiaire 3 peut être constituée d'un carbure stable, de tantale (TaC) ou de hafnium (HfC) par exemple.
[0013] En ce qui concerne la réalisation technologique de la cathode selon l'invention, on utilise donc un support 1 en graphite pyrolytique, usiné par tous moyens connus pour constituer un cylindre creux, de structure maillée ou non maillée, dont la conductivité est maximale parallèlement à l'axe du cylindre ; l'épaisseur de ce support est, à titre d'exemple, comprise entre 0,2 et 1 mm. Ce support est alimenté par des tigelles d'amenée de courant qui sont également en graphite.
[0014] La couche intermédiaire 3 est déposée sur le support 1 par évaporation, pulvérisation cathodique, électrolyse ou par phase vapeur ; elle a une épaisseur qui est de préférence comprise entre 5 et 20 µm.
[0015] La couche émissive 2 est déposée sur la couche 3 au pinceau, au pistolet, par cataphorèse, par pulvérisation cathodique, par évaporation sous vide ou par dépôt ionique ; elle a une épaisseur qui est de préférence comprise entre 0,04 et 0,1 mm.
[0016] La figure 2 représente une variante de réalisation technologique de la cathode selon l'invention.
[0017] Sur cette figure, on retrouve la couche 1 en graphite pyrolytique sur laquelle est déposée la couche intermédiaire 3 telle que décrite ci-dessus. Mais dans le cas de la figure 2, on ajoute de la poudre 4 d'un métal de la famille du platine (iridium ou rhénium de préférence) frittée à la surface de la couche 3, afin d'améliorer l'adhérence de la couche émissive 2 d'hexaborure de lanthane sur la couche intermédiaire 3.