Procédé de fabrication d'une cathode imprégnée pour tube à rayons cathodiques

Abstract

 Procédé de fabrication d'une cathode imprégnée dont la partie supérieure comprend une pastille émissive (1) en matériau réfractaire disposée dans une coupelle support (13); la soudure de la coupelle à son support s'éffectue par fusion d'un matériau métallique (8) disposé entre la pastille (1) et son support (13) . Le matériau (8) a un point de fusion choisi entre la température de fonctionnement de la cathode et la temperature de fusion des éléments constitutifs de la pastille émissive.

Description

[0001] L'invention se rapporte à un procédé de fabrication de cathodes imprégnées destinées à équiper des canons à électrons pour tube à rayons cathodiques.
Une cathode imprégnée comporte une pastille émissive poreuse en matériaux réfractaires (Tungstène, Molybdène, Rhénium...) imprégnée de matériaux émissifs (Baryum, strontium, calcium, aluminium, césium...). Cette pastille est disposée sur un support généralement en forme de coupelle en métal réfractaire ( Tantale, molybdène...); l'ensemble forme la partie supérieure de la cathode.
La pastille émissive et son support sont assemblés de manière à former un ensemble mécaniquement capable de résister aux différentes étapes de fabrication de la cathodes et aux températures élevées de fonctionnement de la dite cathode; par ailleurs le contact entre la pastille et son support doit être le plus parfait possible afin de garantir les performances de la cathode.
L'état de la technique enseigne différentes méthodes habituellement employées pour réaliser la partie supérieure d'une cathode imprégnée :

• la première consiste à déposer une peinture sur la face arrière de la pastille émissive pour pouvoir réaliser une soudure avec le support. La peinture est en général à base de poudres de Molybdène et de Rhénium. Les inconvénients majeurs sont le prix élevé de cette peinture, un stockage difficile de cette peinture du à une évaporation et sédimentation fortes, une quantité déposée sur le support difficilement contrôlable et reproductible ce qui engendre une épaisseur variable de cet interface, une impossibilité de dépôt pour des cathodes de dimensions réduites (inférieures à 2 mm), un repérage obligatoire de la face de la pastille recouverte de peinture pour effectuer la soudure.
• la deuxième, telle qu'indiquée dans le brevet US5218263, consiste à bloquer mécaniquement la pastille émissive de la cathode sur le support par un chapeau ou une pièce couvrant en partie celle ci. Le chapeau possède une ouverture pour permettre l'émission de la pastille dans le tube. Ce chapeau est soudé avec le support et donc solidaire avec la partie supérieure de la cathode. Les inconvénients majeurs sont :
  • une augmentation du poids de la cathode pour réaliser cette structure et ceci au détriment du temps d'allumage de la cathode
  • une conduction thermique peu efficace de la pastille avec le reste de la cathode au détriment des performances globales de la cathode
  • un risque d'assemblage en bas ou avec un degré de liberté de la pastille dans son logement
  • la présence d'une pièce métallique entre l'électrode du canon située en face de la cathode et la surface de la pastille, pièce qui modifie la conformation des champs électriques appliqués
  • un dépôt ultérieur de matériau abaissant le travail de sortie de la cathode en surface de la pastille rendu difficile par la présence du chapeau
• la troisième, divulguée dans le brevet US5171180, consiste à assembler directement les pastilles dans leur support sans réaliser de soudure puis de traiter ces ensembles de pièces dans un four à hydrogène à haute température pour faire réagir chimiquement les produits émissifs contenus dans la pastille avec le support afin de réaliser un accrochage.
  Les inconvénients majeurs sont :
  • la perte des matériaux émissifs contenus dans la pastille pour pouvoir réaliser le collage avec le support ce qui réduit la durée de vie de la cathode,
  • le traitement dans un four à hydrogène par lot de petite taille de par la nécessité de n'avoir qu'un seul empilement de pièces,
  • le positionnement correct de la pastille non garanti lors des manipulations dans le four ou par les mouvements engendrés de la pastille dans son logement lors de la réaction chimique,
  • une stabilité de positionnement non garantie de la pastille lors de l'utilisation dû aux délaminations des produits engendrés créant seuls en principe la tenue mécanique.
• la quatrième, divulguée par le brevet US5128584, consiste à souder directement la pastille de cathode avec son support avec un prétraitement rendant rugueuses les deux surfaces jointives. La soudure est réalisée par résistance électrique et est rendue possible grâce au bon contact réalisé entre les deux éléments. Les inconvénients majeurs sont la puissance nécessaire au soudage du matériau réfractaire qui engendre une forte élévation de température modifiant ou détruisant en partie les produits émissifs contenus dans la pastille, la fragilité de la soudure car celle ci demeure faible et fragile lors du montage des cathodes dans le canon à électron, l'obligation de repérer la face de la pastille rendue rugueuse pour effectuer la soudure, la difficulté de repérer la face d'une pastille de petite dimension (inférieur à 2 mm).
  L'objet de la présente invention est un procédé de fabrication d'une cathode imprégnée et plus particulièrement un procédé d'assemblage de la pastille émissive à son support qui ne présente pas les inconvénients de l'état de la technique, qui soit simple à mettre en oeuvre, économique, dont les effets sont neutres vis à vis de l'émissivité de la pastille tout en garantissant un positionnement fiable et répétitif de la pastille dans son support. Pour cela, le procédé de fabrication d'une cathode imprégnée selon l'invention comporte une étape de soudure d'une pastille émissive poreuse en matériaux réfractaires à l'intérieur d'un support en métal réfractaire caractérisé en ce que pour faciliter la soudure un matériau d'apport purement métallique est disposé entre la pastille et son support. Dans une forme de réalisation particulièrement avantageuse, le matériau d'apport est une plaque métallique mince insérée entre la pastille et son support.
  L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-après et des dessins annexés, parmi lesquels :
  • la figure 1 représente vue en coupe une cathode imprégnée selon l'état de la technique
  • la figure 2 illustre une représentation d'une cathode selon l'invention montrant en éclaté la partie supérieure de la dite cathode
  • les figures 3 et 4 illustrent un mode de réalisation préférentiel de l'invention respectivement en vue de dessus et en coupe.

[0002] Comme indiqué sur la figure 1 une cathode imprégnée comprend généralement un corps cylindrique 2 à l'extrémité duquel se trouve la partie supérieure de la cathode composée de la pastille émissive 1 , comportant le plus souvent du Tungstène comme matériau de base, disposée dans son support 13, le plus souvent en Tantale ou Molybdène. A l'intérieur du corps 2 est inséré l'élément chauffant 5. Un cylindre 4 forme la jupe extérieure de la cathode et sert de blindage thermique pour éviter les déperditions de la chaleur créée par l'élément chauffant 5, augmentant ainsi le rendement thermique de l'ensemble. Le corps de cathode 2 est maintenu en position à l'intérieur du blindage 4 par des pattes 3 soudées à la fois au corps 2, aux points 6, et à la jupe extérieure 4.
Une des difficultés concernant l'assemblage des différents éléments de la cathode concerne la liaison de la pastille 1 à son support 13. Cette liaison doit être mécaniquement résistante, offrir une excellente transmission thermique et être neutre vis-à-vis des propriétés d'émission de la pastille, tout cela à des températures de travail élevées et pouvant dépasser les 1200°C.
Les paramètres de stabilité en émission, de durée de vie, de temps d'allumage et de stabilité de seuil d'émission dépendent essentiellement de la tenue mécanique de la pastille avec le reste de la structure de la cathode.
Or comme la pastille émissive et son support sont en matériaux réfractaires, il est extrêmement difficile d'effectuer par soudure la liaison directe des deux éléments; les nombreuses solutions divulguées dans l'état de la technique n'offrant pas par ailleurs de solution simple, fiable , peu coûteuse avec des caractéristiques de répétabilité nécessaire pour l'industrialisation d'un élément clé pour un tube à rayons cathodiques.
Pour obtenir un contact parfait entre le support en métal réfractaire 13 et la pastille émissive 1, contact qui permet d'optimiser la conduction thermique entre l'élément chauffant 5 et la pastille il faut réaliser une soudure liant les matériaux entre eux sans détruire la porosité de la pastille et sans modifier les caractéristiques d'émission, ce qui interdit une soudure à trop haute température.
Comme indiqué sur la figure 2, et plus particulièrement sur la figure 4 montrant une coupe de la partie supérieure de la cathode, l'invention propose d'insérer entre la pastille émissive 1 et son support 13, un matériau d'apport métallique 8 neutre chimiquement et qui permette de souder les deux éléments à une température suffisamment faible pour ne pas détériorer les caractéristiques d'émission de la pastille. Pour cela, le matériau choisi doit avoir un point de fusion situé entre la température de fonctionnement de la cathode et celle des métaux constituant la pastille.

[0003] Le matériau d'apport, mis en interface entre la pastille et son support peut être sous forme de poudre métallique, de ruban plat, de fil.
Comme il est nécessaire de minimiser la quantité de matériau d'apport afin de réduire le poids et/ou la taille de la cathode, en particulier pour des raisons de rendement thermique, le matériau d'apport peut, dans un mode de réalisation avantageux, être déposé par vaporisation sous vide directement sur le support 13. De cette façon l'épaisseur de la couche de matériau 8 peut être parfaitement contrôlée et est de préférence choisie entre 1 et 25 microns , épaisseur permettant une bonne soudabilité des éléments 1 et 1 3 sans affecter les caractéristiques de rendement thermique de la cathode.
Dans un autre mode de réalisation préférentiel, le matériau d'apport est sous forme de languette de métal, de faible épaisseur, choisie entre 1 et 25 microns.
Avantageusement la languette est découpée de manière à ne pas occuper toute la surface de contact entre le support 13 et la pastille 1 afin de diminuer le poids du matériau d'apport. Pour effectuer de façon certaine la soudure entre la pastille et son support, il faut cependant que la surface couverte par le matériau d'apport soit suffisante compte tenu des faibles dimensions des éléments à souder. L'expérience à montré qu'une surface de languette comprise entre 0.4 et 0.7 fois la surface de la face de la pastille, généralement de forme arrondie, venant en regard de son support 13 permettait d'assurer la soudure des éléments dans de bonnes conditions de fiabilité.
Comme illustré sur la figure 3, montrant vue de dessus l'intérieur de la coupelle support 13, la languette 10 est par exemple découpée en forme de rectangle au coins arrondis, forme qui présente l'avantage d'un centrage automatique lors de son insertion dans le dit support 13, généralement en forme de coupelle; de cette façon, on est par ailleurs assuré de réaliser la soudure de la pastille 1 à son support 13 en situant les points de soudure 9 dans la partie centrale de la pastille. Pour une pastille émissive cylindrique de diamètre 1.27mm, il a été choisi par exemple une languette métallique de 1.1mm de long par 0.6mm de large, avec une épaisseur de métal pouvant être choisie entre 1 et 25 microns.
Le métal assurant l'interface 8 doit être choisi de manière de manière à ne pas avoir de réaction chimique à haute température tout en permettant d'assurer une bonne liaison mécanique entre la pastille et son support. De même son point de fusion doit être suffisamment bas pour ne pas diminuer les caractéristiques d'émissivité de la pastille.
Divers métaux peuvent être utilisés, soit purs soit sous forme d'alliages, pour réaliser l'invention; le Nickel, le Chrome, le Vanadium, le Rhénium ont par exemple donné d'excellents résultats tant sur le plan mécanique que sur le plan de la neutralité vis-à-vis des propriété d'émissivité de la pastille.
Dans un mode de réalisation avantageux, on a choisi le Nickel pur pour réaliser la languette 10. Ce métal a une température de fusion de 1453°C, comprise entré la température de fonctionnement de la cathode d'environ 1200°C et la température de fusion de la pastille en Tungstène qui est de l'ordre de 3410°C; il a une bonne conductibilité thermique et une très bonne soudabilité avec le Tungstène et le Tantale. Par ailleurs le Nickel offre l'avantage supplémentaire d'être un matériau magnétique : ainsi il permet d'envisager une dépose automatisée par électro aimant de la languette dans la coupelle, dépose qui serait manuellement trés difficile compte tenu des faibles dimensions des éléments constitutifs de la cathode.

Revendications

1. Procédé de fabrication d'une cathode imprégnée comportant une étape de soudure d'une pastille émissive poreuse en matériaux réfractaires à l'intérieur d'un support en métal réfractaire caractérisé en ce que pour faciliter la soudure un matériau d'apport purement métallique est disposé entre la pastille et son support.

2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le matériau d'apport a un point de fusion situé entre la température de fonctionnement de la cathode et celle des métaux constituant la pastille émissive

3. Procédé selon l'une des revendications 1 à 2 caractérisé en ce que le matériau d'apport est déposé sous vide sur le support de la pastille émissive

4. Procédé selon l'une des revendication 1 à 2 caractérisé en ce que le matériau d'apport est sous forme de plaque métallique mince

5. Procédé selon l'une des revendications 1à 2 caractérisé en ce que le matériau d'apport est sous forme de poudre métallique

6. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que la plaque métallique est une languette sensiblement rectangulaire

7. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la surface couverte par le matériau d'apport est préférentiellement choisie entre 0.4 et 0.7 fois le surface de la face de la pastille vennant en regard de son support

8. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le matériau d'apport est en matériau magnétique.

9. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la soudure de la pastille à son support s'effectue dans la partie centrale de la pastille .

10. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le matériau d'apport est un métal pur.

11. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le matériau d'apport est du nickel .

12. Cathode pour tube à rayons cathodiques caractérisé en ce que son procédé de fabrication est conforme à l'une des revendications précédentes.

13. Tube à rayons cathodiques caractérisé en ce qu'il incorpore au moins une cathode conforme à la revendication précédente.

Dessins