Cathode à oxydes et procédé de fabrication

Abstract

 La présente invention concerne les cathodes à oxydes comportant, sur un support (1), une couche (20) d'un ou plusieurs oxydes de métaux alcalino-terrreux recouverte d'un mélange (21) d'un ou plusieurs oxydes de métaux alcalino-terreux et d'oxyde de scandium. De préférence, le mélange d'oxydes de métaux alcalino-terreux et d'oxyde de scandium contient un taux pondéral d'oxyde de scandium inférieur ou égal à 5 %, sans toutefois être nul. En plus, le mélange d'oxydes de métaux alcalino-terreux et d'oxyde de scandium peut être formé d'une succession de couches, deux couches successives contenant un taux pondéral d'oxyde de scandium différent.
Application aux cathodes à oxydes à grande durée de vie et forte densité de courant.

Description

[0001] La présente invention concerne les cathodes à oxydes. Ces cathodes sont notamment utilisées dans des tubes hyperfréquences à grille, dans des tubes à interaction longitudinale, dans des magnétrons ou dans des tubes à rayons cathodiques.

[0002] L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'une telle cathode. Ces cathodes, connues depuis longtemps comportent un support généralement en nickel, recouvert de matériau thermoémissif. Ce matériau thermoémissif est un mélange d'oxydes de métaux alcalino-terreux. Ces cathodes sont réalisées en badigeonnant le support avec une suspension de carbonates de métaux alcalino-terreux dans un liant organique. Le badigeonnage peut se faire au pinceau ou au pistolet. L'épaisseur déposée est de l'ordre de 40 à 50 micromètres. On utilise bien souvent des carbonates doubles ou triples, par exemple des carbonates de barium et de calcium ou des carbonates de barium, de calcium et de strontium. Le liant est souvent du collodion dissous dans de l'acétate de butyle.

[0003] La cathode est ensuite placée sous vide et activée en la chauffant. Les carbonates se transforment en oxydes.

[0004] Lors de cette transformation les composés qui apparaissent réagissent avec les impuretés nécessairement présentes dans le métal du support. Il se forme une couche peu conductrice, connue sous le nom de couche d'interface. Cette couche augmente la rèsistance de cathode, provoque une chute de tension entre la cathode et l'anode et une importante dissipation d'énergie. Cette couche évolue au cours du temps et ses inconvénients s'amplifient.

[0005] D'autres cathodes à oxydes sont aussi connues. Le matériau thermoémissif est un mélange d'oxydes de métaux alcalino-terreux avec de l'oxyde de scandium. Le taux d'oxyde de scandium est relativement élevé. Elles sont réalisées en badigeonnant le support avec une suspension de carbonates de métaux alcalino-terreux et d'oxyde de scandium dans un liant organique puis en activant la cathode. Mais il y a apparition de décollements entre la couche d'oxydes et le support. Ces décollements perturbent l'émission d'électrons. Ils sont préjudiciables à la fiabilité de la cathode et réduisent sa durée de vie.

[0006] La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. A cette fin, elle propose une cathode comportant un support recouvert d'une couche d'un ou plusieurs oxydes de métaux alcalino-terreux. Cette couche est recouverte d'un mélange d'un ou plusieurs oxydes de métaux alcalino-terreux et d'oxyde de scandium.

[0007] Les zones de décollement sont supprimées et la couche d'interface, sans disparaître totalement, a une épaisseur réduite et est bloquée dans son évolution.

[0008] De préférence, le mélange d'oxydes de métaux alcalino-terreux et d'oxyde de scandium contient un taux pondéral d'oxyde de scandium inférieur ou égal à 5%, sans toutefois être nul.

[0009] Le mélange d'oxydes de métaux alcalino-terreux et d'oxyde de scandium peut être formé d'une succession de couches, deux couches successives contenant un taux pondéral d'oxyde de scandium différent.

[0010] Les couches successives peuvent contenir un taux pondéral d'oxyde de scandium croissant plus on s'éloigne du support ou au contraire un taux décroissant.

[0011] On peut aussi définir des couches paires ayant un premier taux d'oxyde de scandium et des couches impaires ayant un deuxième taux d'oxyde de scandium, le premier et le deuxième taux étant relativement éloignés l'un de l'autre.

[0012] Des oxydes doubles ou triples de métaux alcalino-terreux peuvent être utilisés, par exemple, des oxydes de barium et de calcium, ou des oxydes de barium, de calcium et de strontium.

[0013] De préférence, on choisit un support en nickel.

[0014] L'épaisseur de la couche d'oxydes de métaux alcalino-terreux est sensiblement égale à l'épaisseur du mélange d'oxydes métaux alcalino-terreux et d'oxyde de scandium.

[0015] L'invention concerne aussi un procédé de réalisation d'une telle cathode. Il comporte au moins les étapes suivantes :

• dépôt sur le support, à partir d'un dispositif de projection, d'une suspension d'un ou plusieurs carbonates de métaux alcalino-terreux dans un liant organique;
• dépôt immédiatement après, à partir d'au moins un autre dispositif de projection, d'une suspension d'un ou plusieurs carbonates de métaux alcalino-terreux et de carbonate de scandium, dans un liant organique;
• activation de la cathode, sous vide, en la chauffant pour transformer les carbonates en oxydes.

[0016] La suspension de carbonates de métaux alcalino-terreux et de carbonate de scandium peut être déposée en plusieurs étapes successives, à partir de plusieurs dispositifs de projection, de manière à former une succession de couches.

[0017] Le liant organique peut être du collodion dissous dans de l'acétate de butyle.

[0018] Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante illustrée des figures qui représentent :

• la figure 1 une cathode à oxydes de type connu;
• la figure 2 une cathode à oxydes selon l'invention;
• la figure 3 une variante d'une cathode à oxydes selon l'invention;
• la figure 4 une installation pour la réalisation d'une cathode à oxydes selon le procédé de l'invention.

[0019] Sur ces figures, dans un souci de clarté les échelles ne sont pas respectées.

[0020] Sur les différentes figures les mêmes éléments portent le même repère. Sur les figures 1, 2, 3, la cathode représentée est une cathode pour tube à interaction longitudinale. Cet exemple n'est pas limitatif. L'invention n'est pas limitée à ce type de cathode. Une cathode selon l'invention pourrait être cylindrique et servir dans un magnétron ou avoir une surface émissive sensiblement plane et servir dans un tube à rayons cathodiques.

[0021] Sur la figure 1, on voit un support 1 concave, en forme de coupelle, monté sur une jupe 2 cylindrique. Le support 1 et la jupe 2 sont métalliques, en nickel par exemple.

[0022] Un filament 3 de chauffage est maintenu dans la jupe 2. Le support au lieu d'être concave pourrait être sensiblement plan.

[0023] La partie concave du support 1 forme une face émissive de la cathode. Le support 1 est recouvert d'une couche 4 de matériau thermoémissif. Le filament 3 chauffe le matériau émissif, ce qui produit, à partir d'une certaine température, l'émission d'électrons.

[0024] Le matériau thermoémissif est généralement un composé d'oxydes de métaux alcalino-terreux. On utilise souvent des oxydes doubles : oxyde de barium et oxyde de calcium ou des oxydes triples : oxyde de barium, oxyde de calcium et oxyde de strontium. Le matériau thermosémissif est déposé à partir d'une suspension de carbonates de métaux alcalino-terreux (barium et calcium ou barium, calcium et strontium) dans un liant organique. Ce dépot se fait par badigeonnage au pinceau ou par projection avec un pistolet. On choisit souvent comme liant organique du collodion dissous dans de l'acétate de butyle.

[0025] L'épaisseur de la couche 4 déposée est de l'ordre de 40 à 50 micromètres.

[0026] La cathode est activée en la chauffant sous vide et les carbonates se transforment en oxydes.

[0027] Les taux en poids des différents oxydes (dans le cas d'oxydes triples) sont de l'ordre de 55 % d'oxyde de barium, 35 % d'oxyde de strontium et 10 % d'oxyde de calcium.

[0028] La figure 2 représente une cathode à oxydes selon l'invention.

[0029] On retrouve comme précédemment le support 1 métallique solidaire d'une jupe 2 et le filament 3 de chauffage. Le support 1 est recouvert de matériau thermoémissif. Ce matériau comporte, à partir du support 3, une couche 20 d'un ou plusieurs oxydes de métaux alcalino-terreux. Cette couche 20 peut être de même nature que précédemment, mais son épaisseur n'est que de 10 à 20 micromètres. Cette couche 20 est recouverte d'un mélange d'un ou plusieurs oxydes de métaux alcalino-terreux et d'oxyde de scandium. Dans la pratique, pour obtenir une émission d'électrons satisfaisante, on utilise des oxydes de métaux alcalino-terreux doubles ou triples. Dans la suite de la description on garde cette hypothèse. Sur la figure 2, le mélange est formé d'une seule couche 21. L'épaisseur de la couche 21 est sensiblement égale à celle de la couche 20. On peut bien sur envisager que le mélange soit formé d'une succession de couches. Cette variante est représentée à la figure 3.

[0030] Le taux pondéral d'oxyde de scandium est de préférence inférieur ou égal à 5%, sans toutefois être nul. Les oxydes de métaux alcalino-terreux peuvent être comme précédemment des oxydes de barium et de calcium ou des oxydes de barium, de calcium et de strontium. Dans un souci de simplification, les couches 20 et 21 peuvent contenir les mêmes oxydes de métaux alcalino-terreux. D'autres choix sont possibles, par exemple la couche 20 peut être en oxydes doubles et la couche 21 en oxydes triples.

[0031] Le taux pondéral d'oxydes de métaux alcalino-terreux de la couche 21 est supérieur ou égal à 95 %.

[0032] Selon une variante, représentée à la figure 3, le mélange d'oxydes de métaux alcalino-terreux et d'oxyde de scandium peut être formé d'une succession de couches 31,32,33. Le taux pondéral d'oxyde de scandium peut varier d'une couche à l'autre tout en restant de préférence inférieur ou égal à 5%. Par exemple, on peut envisager que le taux pondéral d'oxyde de scandium augmente plus on s'éloigne du support 1. La première couche déposée 31 peut contenir 1% d'oxyde de scandium, la seconde 32 3% et la troisième 33 5%. Ce n'est qu'un exemple. Au contraire, le taux pondéral d'oxyde de scandium peut diminuer plus on s'éloigne du support 1. D'autres répartitions sont encore possibles, par exemple, on peut alterner des couches riches en oxyde de scandium avec des couches pauvres en oxyde de scandium. Le taux pondéral d'oxyde de scandium contenu dans les couches pauvres sera, par exemple, d'environ 1 % et le taux pondéral contenu dans les couches riches d'environ 5 %.

[0033] L'épaisseur des couches successives est choisie pour que l'épaisseur totale du matériau thermo-émissif soit de l'ordre de 40 à 50 micromètres. De préférence, l'épaisseur de la couche d'oxydes de métaux alcalino-terreux sera sensiblement égale à l'épaisseur du mélange d'oxydes de métaux alcalino-terreux et d'oxyde de scandium.

[0034] Sur la figure 3, on a représenté trois couches successives, ce n'est qu'un exemple non limitatif. On peut envisager de déposer seulement deux couches ou jusqu'à quatre ou cinq par exemple.

[0035] La présence de la couche 20 d'oxydes de métaux alcalino-terreux directement sur le support 1 favorise un bon accrochage entre les oxydes et le support. Il y a formation d'une couche d'interface relativement peu épaisse, mais son évolution est bloquée grâce au mélange d'oxydes de métaux alcalino-terreux et d'oxyde de scandium. Les inconvénients liés au décollement des oxydes contenant un taux relativement élevé d'oxyde de scandium sont supprimés tandis que les inconvénients liés à la couche d'interface sont limités.

[0036] Les figures 4a et 4b représentent une partie d'une installation permettant de réaliser des cathodes par le procédé de l'invention. On place dans une hotte 40 d'aspiration un certain nombre de supports 41 métalliques. On dépose à l'aide d'un premier dispositif de projection 42, tel qu'un pistolet à peinture à air comprimé, une suspension de carbonates de métaux alcalino-terreux dans un liant organique. La première couche 43 est sans scandium. Immédiatement après, on dépose à l'aide d'un second dispositif de projection 44, une suspension de carbonates de métaux alcalino-terreux et de carbonate de scandium dans le liant organique. On forme une deuxième couche 45. Le liant peut être du collodion dissous dans de l'acétate de butyle. La deuxième couche 45 contient du scandium. Si l'on désire que la cathode comporte une succession de couches d'oxydes de métaux alcalino-terreux et d'oxyde de scandium, comme représenté sur la figure 3, on pourra utiliser plusieurs pistolets 44, chacun projettant une suspension ayant un taux pondéral de scandium approprié. On obtient ainsi une succession de couches avec du scandium. Après ces pulvérisations, la cathode est placée sous vide et activée en la chauffant, les carbonates se transforment en oxydes.

[0037] Les cathodes à oxydes selon l'invention ont une longue durée de vie et une forte densité de courant.

Revendications

1 - Cathode à oxydes comportant un support (1) recouvert d'un matériau thermoémissif, caractérisée en ce que le matériau thermoémissif comporte, à partir du support (1) , une couche (20) d'un ou plusieurs oxydes de métaux alcalino-terreux recouverte d'un mélange (21) d'un ou plusieurs oxydes de métaux alcalino-terreux et d'oxyde de scandium.

2 - Cathode à oxydes selon la revendication 1, caractérisée en ce que le mélange contient un taux pondéral d'oxyde de scandium inférieur ou égal à 5 % sans toutefois être nul.

3 - Cathode à oxydes selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le mélange d'oxydes de métaux alcalino-terreux et d'oxyde de scandium est formé d'une succession de couches, deux couches successives contenant un taux pondéral d'oxyde de scandium différent.

4 - Cathode à oxydes selon la revendication 3, caractérisée en ce que les couches successives contiennent un taux pondéral d'oxyde de scandium croissant plus on s'éloigne du support.

5 - Cathode à oxydes selon la revendication 3, caractérisée en ce que les couches successives contiennent un taux pondéral d'oxyde de scandium décroissant plus on s'éloigne du support.

6 - Cathode à oxydes selon la revendication 3, caractérisée en ce que la succession de couches comporte au moins une couche paire contenant un premier taux pondéral d'oxyde de scandium et au moins une couche impaire contenant un second taux pondéral d'oxyde de scandium, le premier taux d'oxyde de scandium étant relativement éloigné du second taux d'oxyde de scandium.

7 - Cathode à oxydes selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les oxydes de métaux alcalino-terreux sont des oxydes doubles tels que les oxydes de barium et de calcium.

8 - Cathode à oxydes selon l'une des revendication 1 à 7, caractérisée en ce que les oxydes de métaux alcalino terreux sont des oxydes triples tels les oxydes de barium, de calcium et de strontium.

9 - Cathode à oxydes selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le support est en nickel.

10 - Cathode à oxydes selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que l'épaisseur de la couche d'oxydes de métaux alcalino-terreux est sensiblement égale à l'épaisseur du mélange d'oxydes de métaux alcalino-terreux et d'oxyde de scandium.

11 - Procédé de réalisation d'une cathode selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes :

- dépôt, sur le support, à partir d'un premier dispositif de projection, d'une suspension d'un ou plusieurs carbonates de métaux alcalino-terreux dans un liant organique,

- projection immédiatement après, à partir d'au moins un autre dispositif de projection, d'une suspension d'un ou plusieurs carbonates de métaux alcalino-terreux et de carbonate de scandium, dans un liant organique.

- activation de la cathode sous vide en la chauffant pour transformer les carbonates en oxydes.

12 - Procédé de réalisation d'une cathode selon la revendication 11, caractérisé en ce que la suspension de carbonates de métaux alcalino-terreux et de carbonate de scandium dans le liant organique est déposée en plusieurs étapes, à partir de plusieurs dispositifs de projection, de manière à former une succession de couches.

13 - Procédé de réalisation d'une cathode selon la revendication 11, caractérisé en ce que le liant organique est du collodion dissous dans de l'acétate de butyle.

Dessins