TUBE A VIDE ET SON PROCEDE DE FABRICATION

Description

[0001] L'invention concerne un procédé de fabrication d'électrodes, conçu principalement pour la réalisation de tubes électroniques à vide, et notamment de tubes utilisant un collecteur d'électrons ; le collecteur recueille les électrons après utilisation d'une fraction de l'énergie qui leur a été communiquée par un champ électrique d'accélération créé dans le tube à vide. Ce procédé de fabrication est utilisable pour la réalisation d'autres électrodes que des collecteurs de tubes électroniques. Plus généralement il est applicable à la réalisation d'électrodes de toutes sortes de dispositifs à vide total ou partiel faisant intervenir dans ce vide un transport physique de particules élémentaires chargées (électrons mais aussi ions) qui peuvent être accélérées, ou ralenties ou collectées par des électrodes du dispositif. Le procédé sera cependant décrit à propos de l'application la plus intéressante qui est la réalisation du collecteur d'un tube électronique à vide à faisceau linéaire.

[0002] On citera à titre d'exemple de tubes à faisceau linéaire : les klystrons mono ou multifaisceaux, les tubes à ondes progressives, les carcinotrons, les tubes à sortie inductive (IOT pour Inductive Output Tube).

[0003] Ces tubes fonctionnent généralement en faisant interagir, dans une zone dite zone d'interaction, une onde électromagnétique et un faisceau linéaire d'électrons, le faisceau communiquant une partie de son énergie cinétique à l'onde électromagnétique pour amplifier celle-ci. Généralement, le faisceau conserve encore une partie de son énergie cinétique après son passage dans la zone d'interaction et il faut recueillir les électrons résiduels dans un collecteur placé à la sortie de la zone d'interaction. Parfois, l'énergie cinétique subsistante en aval de la zone d'interaction peut atteindre 50% à 80% de l'énergie initialement communiquée au faisceau en amont de cette zone. Il en découle de fortes contraintes pour la réalisation du collecteur, en termes de dissipation de chaleur ; il en découle de fortes contraintes pour la réalisation du collecteur, en termes de dissipation de chaleur ; il y a par ailleurs d'autres contraintes, telles que la tenue en tension, etc.

[0004] Dans le passé, le collecteur était constitué par une simple électrode métallique, le plus souvent en cuivre, portée à un potentiel approprié (le plus souvent celui de l'anode qui a servi à accélérer les électrons). Mais pour augmenter le rendement des tubes on a été amené à réaliser des collecteurs plus sophistiqués, appelés collecteurs déprimés mono ou multiétages, constitués par plusieurs électrodes successives portées à des potentiels différents et donc isolées électriquement les unes des autres.

[0005] La réalisation de ces électrodes de collecteur pose différents problèmes, d'autant plus difficiles à résoudre que les tubes doivent être à la fois de plus en plus puissants et de plus en plus compacts. Parmi ces problèmes, il y a le problème de l'évacuation de la chaleur produite par l'impact des électrons sur une électrode ainsi que le problème de ré-émission électronique secondaire des électrodes ; il y a le problème de l'isolation électrique des électrodes entre elles et vis à vis de l'extérieur ; il y a le problème de l'étanchéité au vide du tube, avec le problème conjoint de la traversée de connexions électriques de l'intérieur vers l'extérieur du tube pour amener un courant ou une tension d'une électrode intérieure vers l'extérieur du tube ou de l'extérieur vers une électrode intérieure du tube, et ceci pour chacune des électrodes du collecteur, de même d'ailleurs que pour les autres électrodes du tube (anode, cathode).

[0006] Les solutions adoptées pour la réalisation de ces collecteurs déprimés utilisent le plus souvent des électrodes en cuivre brasées ou frettées sur des pièces en céramique isolante ; la céramique assure l'isolation électrique entre électrodes portées à des potentiels différents et dans le cas d'un collecteur à isolement électrique interne, celle ci doit assurer également le transfert du flux thermique. Le brasage assure la tenue mécanique et l'étanchéité au vide. Ces assemblages sont complexes et d'un coût élevé. Leur structure hétérogène constituée de céramiques et de métal les rend particulièrement sensibles aux contraintes thermomécaniques et vibrations. Leurs performances limitées notamment en ce qui concerne l'efficacité de la dissipation thermique, les tensions de fonctionnement admissibles, la compacité, parfois aussi le poids (pour des applications de tubes spatiaux par exemple).

[0007] Les problèmes sont particulièrement délicats pour la réalisation d'un collecteur multiétages, mais on comprendra qu'ils peuvent exister aussi pour des électrodes isolées pour lesquelles il faut aussi prévoir d'une part une isolation électrique par rapport au reste du tube, d'autre part une alimentation en tension ou en courant, et enfin une évacuation de la chaleur produite.

[0008] On notera qu'il est suggéré dans le brevet US 4,277,721, de réaliser des électrodes dont les surfaces ont des caractéristiques qui minimisent l'émission secondaire grâce à des revêtements en matériaux tels que le graphite pyrolytique, le carbure de titane, le carbure de tungstène, le diborure de titane. La conductivité thermique de ces matériaux n'est pas mentionnée, et ils sont en principe déposés sur des électrodes qui classiquement sont en cuivre.

[0009] JP-61214327 décrit un tube à vide selon la revendication 1.

[0010] La présente invention a notamment pour but de réaliser un tube de construction améliorée en termes de rapport entre les performances obtenues et le coût de fabrication.

[0011] Pour cela l'invention propose d'une part un tube à vide selon la revendication 1 et d'autre part un procédé de fabrication d'un tel tube selon la revendication 8.

[0012] La particularité de ces électrodes du tube à vide selon l'invention est donc qu'elles sont réalisées sous forme de blocs de céramique et non de blocs métalliques.

[0013] Les céramiques sont des composés minéraux réfractaires tels que des oxydes métalliques, des nitrures métalliques, des carbures métalliques, traités par frittage, c'est-à-dire par agglomération sous forte température (et éventuellement sous pression) d'une poudre du composé ou d'une pâte du composé (la pâte étant une poudre mélangée à un liant organique, ce dernier disparaîssant lors de l'opération d'agglomération). Certaines céramiques sont électriquement isolantes, d'autres sont conductrices, selon la nature des composés minéraux qui la composent. En mélange de composés isolants et de composés électriquement conducteurs, les céramiques peuvent d'ailleurs avoir des conductivités intermédiaires.

[0014] L'électrode est donc réalisée dans ce cas sous forme d'un bloc de céramique composite (avec deux compositions différentes, l'une conductrice l'autre isolante mais toutes deux en céramique) et non sous forme d'un brasage d'une électrode métallique (cuivre) sur une céramique isolante (alumine) comme on pouvait le faire dans l'art antérieur.

[0015] Le montage est d'autant plus avantageux que la céramique (et notamment celle qui compose le bloc isolant) a une forte conductivité thermique. Par céramique à forte conductivité thermique, on entend une céramique dont le coefficient de conductivité thermique est d'au moins 100 watts/m.°K à 20°C, ce qui représente environ un quart de la conductivité du cuivre, mais environ trois fois au moins la conductivité de l'alumine.

[0016] L'électrode ainsi réalisée en céramique peut participer directement à l'étanchéité au vide du tube si elle constitue directement une partie de la paroi de l'enveloppe du tube. Mais elle peut également être cofrittée avec une autre céramique isolante constituant (partiellement ou totalement) l'enveloppe étanche du tube. Par exemple, les électrodes sont des blocs de céramique (au moins superficiellement électriquement conducteurs) insérés dans un fourreau de céramique isolante et cofrittés avec ce fourreau. Le fourreau constitue alors l'enveloppe, étanche au vide, du tube.

[0017] Pour réaliser la connexion de l'électrode vers l'extérieur du tube, on utilisera de préférence aussi une broche en céramique conductrice ; cette broche est en contact d'un côté avec une partie de céramique conductrice de l'électrode, à l'intérieur du tube; et elle traverse une céramique isolante faisant partie de l'électrode et/ou de l'enveloppe du tube, et cofrittée avec cette céramique isolante.

[0018] L'étanchéité au vide de ces traversées conductrices est excellente car d'une part la liaison obtenue par traitement thermique à haute température est forte et d'autre part les matériaux alliés présentent des comportements thermomécaniques voisins. Ceci est particulièrement vrai lorsque la traversée est faite par cofrittage de céramiques. Les traversées peuvent cependant aussi être réalisées en métal réfractaire cofritté avec la céramique pendant le frittage de celle-ci.

[0019] Grâce à cette réalisation d'électrode sous forme d'un bloc de céramique fortement conductrice de la chaleur, on peut adopter des dispositions de tubes particulièrement efficaces du point de vue de l'évacuation de la chaleur, de l'isolation entre électrodes, de la compacité du tube, de son poids, dispositions qu'on ne pourrait pas adopter avec des électrodes métalliques classiques ou avec des assemblages céramique/métal classiquement brasés.

[0020] La céramique conductrice réalisée en couche mince peut notamment être en carbure de silicium, ou en carbure de titane, ou en carbure de tungstène, ou en nitrure de titane, ou en mélange de deux ou plus de ces matériaux. Elle peut comprendre aussi des ajouts de composés facilitant le frittage, tel que par exemple l'oxyde d'yttrium, la présence d'ajouts étant classique en matière de frittage de céramiques.

[0021] La céramique utilisée pour réaliser un bloc de céramique isolante faisant partie de l'électrode ou de l'enveloppe du tube est de préférence essentiellement à base de nitrure d'aluminium, qui a de très bonnes propriétés de conduction thermique (environ 180 watts/mK à 20°C) et une très bonne tenue diélectrique (tenue à des champs électriques d'au moins 20 kV/mm). Elle peut être en nitrure d'aluminium presque pur ou en céramique composite comprenant du nitrure d'aluminium cofritté avec du carbure de silicium ou du nitrure de titane en faible proportion dans le nitrure d'alumium. Des ajouts de frittage peuvent là aussi être présents.

[0022] L'invention est applicable aux tubes à vide (vide total ou partiel). L'application principale est l'application aux tubes électroniques, c'est-à-dire des tubes dans lesquels les particules chargées qui sont transportées sont des électrons (et dans ce cas le vide est en général très poussé). Une autre application possible est un dispositif (qu'on désignera aussi par le vocable « tube » pour simplifier) dans lequel les particules transportées ne sont pas des électrons mais des ions. Par exemple, on peut appliquer l'invention à la réalisation d'électrodes d'accélération d'un propulseur ionique ; un propulseur ionique est un moteur destiné à agir pour déplacer un objet dans le vide (pour un satellite ou un vaisseau spatial); il produit en continu, lorsqu'il fonctionne, un plasma d'ions chargés qui sont accélérés sous vide partiel par un champ électrique (grâce à des électrodes) et éjectés à travers une tuyère. L'éjection agit comme un propulseur à réaction classique, à la différence que la matière éjectée est ionique (chargée) et qu'elle est éjectée sous l'effet d'une accélération par un champ électrique agissant directement sur les ions du fait de leur charge. Dans cette demande de brevet, et notamment dans les revendications, on considérera qu'on englobe sous l'appellation « tube » tous les dispositifs à électrodes utilisant le transport de particules chargées dans un vide total (c'est-à-dire très poussé) ou partiel (moins poussé), que le tube soit fermé ou qu'il soit partiellement ouvert (comme dans le cas d'un propulseur).

[0023] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :

• les figures 1 et 2 représentent des constructions de collecteur de tubes à vide de l'art antérieur ;
• la figure 3 représente en coupe un collecteur de tube selon l'invention ;
• les figures 4 à 7 représentent les différentes électrodes de céramique séparées ;
• la figure 8 représente le fourreau de céramique destiné à enfermer les différentes électrodes ;
• la figure 9 représente en perspective partiellement coupée le collecteur monté.

[0024] L'invention sera décrite à propos de la réalisation du collecteur d'un tube électronique à ondes progressives à collecteur déprimé multiétage, mais elle est applicable dans bien d'autres cas : autres tubes électronique à vide qu'un TOP, collecteur non déprimé à une seule électrode, autres électrodes que des électrodes de collecteur. Mais elle est particulièrement intéressante dans le cas d'un collecteur déprimé multi-étage et c'est pourquoi cet exemple a été choisi pour être décrit en détail. De même, pour ce qui concerne le procédé de fabrication selon l'invention, qui sera décrit à propos du même tube à ondes progressives, on comprendra qu'il est applicable à la réalisation d'un collecteur de TOP comme à la réalisation d'autres électrodes de tubes, avec la signification globale donnée ci-dessus pour le mot tube.

[0025] On rappelle qu'un tube à ondes progressives (TOP en abbréviation française, TWT en abbréviation anglaise) est un tube à vide comportant une cathode émettant un faisceau d'électrons linéaire (focalisé par des aimants permanents), et, successivement de l'amont vers l'aval dans le sens de parcours des électrons : une anode d'accélération de ces électrons ; une entrée de signal radiofréquence recevant un signal radiofréquence à amplifier, cette entrée étant reliée à l'entrée d'une structure de ralentissement qui est par exemple une hélice entourant le faisceau d'électrons ; une sortie de la structure de ralentissement, constituant la sortie du TOP, fournissant un signal radiofréquence ; et un collecteur pour recueillir les électrons du faisceau en aval de la structure de ralentissement. Ces électrons ont perdu une partie de leur énergie en la communiquant à l'onde radiofréquence, dans la zone d'interaction située entre la partie amont et la partie aval de l'hélice. Le collecteur qui reçoit les électrons est soumis à un échauffement intense dû à l'énergie d'impact des électrons et cet échauffement est l'une des principales causes de difficultés pour la réalisation du tube.

[0026] Le collecteur est typiquement un collecteur déprimé à plusieurs étages, c'est-à-dire à plusieurs électrodes portées des potentiels différents et isolées les unes des autres par des parties électriquement isolantes. Les potentiels sont choisis de sorte que les électrons ayant une certaine énergie atteignent si possible l'électrode qui est à un potentiel correspondant sensiblement à cette énergie. De cette manière on obtient un bon rendement du tube, mais cela oblige à prévoir une connexion de plusieurs électrodes vers l'extérieur du tube.

[0027] L'ensemble des éléments qui viennent d'être décrits est enfermé à l'intérieur d'une enveloppe étanche dans laquelle est fait un vide poussé. L'enveloppe comporte des parties isolantes et éventuellement aussi des parties conductrices. Certains des éléments décrits ci-dessus, électrodes ou isolants entre électrodes peuvent eux-mêmes faire partie de l'enveloppe étanche et assurent donc eux-mêmes une étanchéité au vide. Les soudures ou brasures entre éléments, par exemple entre une électrode métallique et une céramique isolante, participent également à cette étanchéité. Enfin lorsqu'une électrode est située complètement à l'intérieur de l'enveloppe (c'est-à-dire qu'elle ne constitue pas une partie de l'enveloppe extérieure et elle n'est donc pas accessible directement de l'extérieur), il est en général nécessaire, pour la connecter à l'extérieur, de prévoir une traversée conductrice, à travers une partie isolante de l'enveloppe, pour relier l'enveloppe à une broche extérieure.

[0028] La figure 1 représente un exemple de réalisation d'un collecteur déprimé multiétages à isolement interne de l'art antérieur, ce qui permettra de mieux faire comprendre les différences apportées par l'invention dans la construction globale du collecteur.

[0029] Le collecteur, de forme généralement cylindrique, comprend dans cet exemple trois électrodes massives en cuivre E1, E2, E3 ayant des formes coniques dont le sommet, ouvert pour les deux premières électrodes et fermé pour la dernière, est tourné vers le côté d'arrivée des électrons (à gauche sur la figure 1). Les électrodes E1 et E2 comportent également une partie cylindrique enserrée par des barreaux (ou des plaquettes) 10 de céramique isolante, elles-mêmes enfermées dans une enveloppe métallique extérieure ENV constituant à la fois un capot de protection électromagnétique et une enveloppe étanche au vide. La céramique isolante est en général en alumine pour de faibles puissances à dissiper et en oxyde de béryllium BeO aux puissances plus élevées. Le collecteur est fermé à droite par un assemblage de parties isolantes et de parties conductrices brasées les unes avec les autres, réalisant également l'étanchéité au vide. Des traversées conductrices sont prévues pour connecter les électrodes E1, E2, E3 à l'extérieur. Ces traversées comprennent un conducteur 12, 13 ou 14 entouré de céramique isolante 16, 17 ou 18. Dans l'exemple de la figure 1, les barreaux de céramique 10 qui entourent les électrodes E1 et E2 servent aussi à faire passer un conducteur de l'électrode E1 vers le fond du collecteur, jusqu'à la traversée conductrice 12, en isolant ce conducteur de l'électrode E2 et de l'enveloppe extérieure ENV.

[0030] La figure 2 représente un autre exemple de réalisation de collecteur de TOP dans lequel les électrodes sont moins massives que sur la figure 1 : ce sont des coprs de révolution en cuivre mince brasés sur toute leur périphérie cylindrique à l'intérieur d'un fourreau de céramique 20 ; la tenue de cette structure aux contraintes thermiques n'est possible que si la minceur des électrodes permet d'accomoder les dilatations différentielles sans contrainte excessive. Le fourreau de céramique est là encore entouré d'un autre fourreau métallique 22 servant de capot de protection électromagnétique. L'étanchéité au vide est réalisée à la fois par des parties métalliques et par des parties de céramique isolante. Sur la figure 2, on voit que des traversées conductrices 24 peuvent être prévues radialement à traverse les fourreaux isolants pour la connexion de l'électrode E1 avec l'extérieur du tube à vide. On utilise un conducteur métallique tel que du nickel brasé sur l'électrode interne E1. L'étanchéité au vide est assurée par brasage sur le fourreau céramique. Pour la connexion avec l'électrode E2, on a fait sortir l'électrode elle-même par le fond du tube jusqu'à l'extérieur, et cette électrode E2 participe donc elle-même directement à l'étanchéité au vide. Pour l'électrode E3, un assemblage complexe de métal, de céramique isolante et de traversée conductrice doit être prévu pour assurer la liaison avec l'extérieur par le fond du tube.

[0031] Dans tous les cas, on voit sur ces figures la complexité de l'assemblage qui permet de tenir les contraintes mécaniques, les contraintes électriques et les contraintes thermiques.

[0032] La figure 3 représente le principe général de construction de tube selon l'invention avec un collecteur dont la particularité est que certaines au moins des électrodes (mais de préférence toutes) sont réalisées principalement en céramique : elles sont constituées chacune d'un bloc de céramique (semblables aux blocs de cuivre de la figure 1) ; cette céramique est au moins superficiellement conductrice (pour réaliser la fonction d'électrode recueillant des électrons) ; cette céramique a de très bonnes propriétés de conduction thermique pour évacuer la chaleur engendrée par les impacts d'électrons.

[0033] De préférence, chaque électrode est constituée d'une couche mince de céramique conductrice frittée à la surface d'une céramique isolante. Dans ce cas, c'est la céramique électriquement isolante qui doit avoir de très bonnes propriétés de conduction thermique.

[0034] La construction préférée du collecteur est la suivante : les blocs de céramique constituant les différentes électrodes sont placés en contact avec la périphérie intérieure d'un fourreau de céramique isolante.

[0035] Des traversées conductrices sont de préférence prévues dans ce fourreau pour assurer la liaison électrique entre l'extérieur du tube et la partie conductrice de certaines au moins des électrodes en céramique.

[0036] Les électrodes, le fourreau isolant et les traversées conductrices sont de préférence rendues solidaires en une seule opération de traitement thermique (cofrittage) ou bien alors de plusieurs traitements thermiques successifs qui assurent une forte liaison et donc une étanchéité de l'intérieur du tube à vide.

[0037] Sur la figure 3, on a représenté un collecteur à quatre électrodes qui sont respectivement, en suivant le sens de déplacement des électrons, une première électrode 30, une deuxième électrode 40, une troisième électrode 50, et une électrode finale 60. Les trois premières électrodes sont percées axialement en leur centre pour laisser passer le faisceau électronique, avec des ouvertures (respectivement 31, 41, 51) de plus en plus larges pour tenir compte de la divergence de plus en plus grande du faisceau vers l'aval. L'électrode finale 60 n'est pas percée.

[0038] Les électrodes sont réalisées en céramique électriquement conductrice dans certaines zones, en superficie, et électriquement isolante dans la masse. La céramique peut être conductrice sur toute sa surface ou seulement dans des zones dessinées selon un motif qui dépend bien sûr de la conception générale du tube, le reste de l'électrode étant constitué par un bloc de céramique isolant.

[0039] Les quatre électrodes sont de préférence montées dans un fourreau cylindrique 70 en céramique électriquement isolante et fortement conductrice de la chaleur. Ce fourreau cylindrique 70 constitue l'enveloppe extérieure du tube et il est de préférence muni d'ailettes radiales 80 facilitant l'évacuation de la chaleur générée en fonctionnement depuis l'intérieur du tube. Ce fourreau 70 peut, comme les électrodes 30, 40, 50, 60, avoir une surface localement conductrice, aussi bien à l'intérieur qu'à l'extérieur du tube. En pratique on verra que le fourreau peut constituer une électrode au même potentiel (sa surface interne uniquement) que l'électrode 50.

[0040] Le fond du tube, sur la droite de la figure 3, peut être constitué complètement par la masse de l'électrode finale 60, surtout si celle-ci n'est conductrice que dans sa partie superficielle intérieure au tube.

[0041] Sur la figure 3, on n'a pas détaillé les zones conductrices de chaque électrode. Toutefois, pour illustrer le principe de l'invention, on a représenté par un trait tireté 90, le long de la paroi intérieure du fourreau 70 et le long d'une partie de l'électrode 50, une zone superficielle qui est conductrice.

[0042] La connexion électrique des différentes électrodes avec l'extérieur, pour assurer le passage de courants ou de tensions de polarisations, est réalisée de la manière suivante : pour l'électrode 30, une traversée conductrice radiale est prévue à travers le fourreau cylindrique isolant 70. La traversée comprend une tige conductrice 32 qui passe à travers un perçage dans l'électrode 30 et un perçage correspondant dans le fourreau 70. La tige conductrice 32 est de préférence en céramique conductrice, mais elle pourrait aussi être en métal conducteur réfractaire tel que du tungstène. Elle vient en contact, à l'intérieur du tube avec une zone conductrice de la première électrode 30.

[0043] Pour la deuxième électrode 40, le montage est tout-à-fait similaire, avec une traversée conductrice radiale comprenant un tige conductrice 42.

[0044] En ce qui concerne la troisième électrode 50, on aurait pu également prévoir une traversée conductrice, mais on a prévu dans cet exemple que la surface intérieure du fourreau 70 est rendue conductrice de la même manière que la surface conductrice des électrodes, c'est-à-dire de préférence par cofrittage d'une céramique conductrice sur une céramique isolante. La zone conductrice est représentée par la ligne tiretée 90 déjà mentionnée. Une continuité électrique conductrice peut être établie ainsi depuis l'électrode 50 jusqu'à l'extérieur du tube, comme le montre la ligne tiretée 90 qui part de l'électrode 50 et qui va jusqu'au delà de l'électrode 60. La partie conductrice extérieure au tube peut alors constituer une connexion extérieure de la troisième électrode 50. Pour cette raison, on peut considérer que le fourreau constitue lui-même une électrode, au même potentiel que l'électrode 50.

[0045] La connexion de l'électrode finale 60 avec l'extérieur peut se faire également par le fond du tube, soit par un contact direct avec la céramique si sa face externe est conductrice et en contact de conduction électrique avec sa face intérieure au tube ou bien si elle est entièrement réalisée en céramique conductrice, soit par une traversée conductrice, avec une tige 62, depuis la face intérieure de l'électrode jusqu'à l'extérieur du tube si seule la surface de céramique intérieure au tube est conductrice. La traversée passe dans ce cas à travers le bloc de céramique isolante constituant l'électrode 60 et non pas à travers le fourreau 70. Elle s'étend axialement et non radialement.

[0046] L'ensemble du collecteur est alors formé de céramiques, certaines parties étant en céramique électriquement isolante mais de très bonne conductivité thermique, et d'autres parties étant en céramique électriquement conductrice et reliées à des tiges conductrices passant à travers la céramique isolante. On obtient donc un bloc de collecteur dont les parties ont des propriétés thermomécaniques homogènes.

[0047] On a avantage à réaliser l'ensemble du collecteur par cofrittage des céramiques, c'est-à-dire en montant les électrodes et le fourreau en place les uns par rapport aux autres alors que ces pièces sont encore dans l'état de céramiques crues, et en effectuant le frittage pour toutes les céramiques à la fois. Il est toutefois possible aussi de fortement associer les électrodes au corps par traitements thermiques successifs ou bien aussi d'effectuer des cofrittages partiels de certains sous-ensembles et d'associer ensuite les sous-ensembles entre eux avec ou sans autre opération de frittage.

[0048] La figure 4 représente de manière isolée la première électrode 30. Dans cet exemple de réalisation, l'électrode est superficiellement conductrice sur presque toute sa surface, mais pas à sa périphérie. Elle sera d'ailleurs en contact à sa périphérie avec le fourreau 70. L'électrode est réalisée par usinage d'une pâte crue de céramique isolante.

[0049] L'électrode usinée est revêtue d'une couche fine de céramique conductrice crue 35 représentée par un trait tireté. La délimitation de la zone conductrice peut se faire soit par masquage des zones qui doivent rester isolantes, soit par enlèvement sélectif après dépôt uniforme sur toutes les surfaces. L'électrode 30 peut être frittée préalablement à son insertion dans le fourreau 70, ou bien insérée d'abord dans le fourreau 70 puis cofrittée avec le fourreau. Si elle est frittée en même temps que le fourreau, la liaison mécanique entre l'électrode et le fourreau n'en sera que plus résistante et la conductivité thermique améliorée. La traversée conductrice permettant de relier l'électrode au fourreau est réalisée en prévoyant un perçage radial 36 dans lequel on pourra insérer la tige conductrice 32 visible à la figure 3 ; cette tige sera de préférence mise en place dans le perçage avant frittage commun de l'électrode et du fourreau. Elle est en contact d'un côté avec la couche de céramique conductrice 35. Le frittage assure l'adhérence de la céramique conductrice superficielle 35 avec la céramique isolante qui forme le corps de l'électrode 30.

[0050] La figure 5 représente la deuxième électrode 40 prise isolément. Elle est constituée en principe de la même manière que la première, à savoir par frittage d'un corps de céramique électriquement isolante crue ayant la forme de l'électrode désirée, revêtue partiellement d'une couche mince de céramique conductrice crue 45. Un perçage 46 sert à laisser passer une tige 42 pour l'établissement de la traversée conductrice.

[0051] La figure 6 représente la troisième électrode 50 prise isolément, consitutée comme les autres avec une couche superficielle locale 55 de céramique conductrice, mais pas de perçage dans le cas où on ne prévoit pas de traversée conductrice pour sa connexion à l'extérieur.

[0052] La figure 7 représente la quatrième électrode 60 avec sa couche de céramique conductrice superficielle locale 65, et son perçage 66 pour une traversée conductrice.

[0053] La figure 8 représente le fourreau cylindrique 70 pris isolément, avec ses ailettes radiales 80. On remarque des perçages 72 et 73 dans le fourreau, qui viennent en regard des perçages 36 et 46 de la première et la deuxième électrode 30 et 40 lorsque celles-ci sont montées dans le fourreau, pour laisser le passage aux tiges conductrices 32 et 42. En effet, les tiges conductrices traversent dans ce cas non seulement l'épaisseur des blocs de céramique isolante qui constituent les électrodes 30 et 40, mais aussi l'épaisseur du fourreau 70. Il n'y a pas d'ailettes à l'endroit des perçages 72 et 73 afin que les tiges conductrices qu'on placera dans les perçages soient accessibles. Les perçages 72, 73, 36 et 46 servent en même temps à assurer le positionnement correct des électrodes en céramique dans le fourreau 70.

[0054] Les différents éléments constitutifs du collecteur (électrodes, fourreau) peuvent être réalisés avec l'aide des techniques céramiques conventionnelles. De préférence, le fourreau 70 avec ses ailettes 80 est de préférence réalisé, du fait qu'il est cylindrique, par extrusion d'une pâte de céramique crue. Les ailettes peuvent avoir une surface rainurée (rainures également réalisée pendant l'extrusion) pour améliorer la dissipation de la chaleur. La conformation du fourreau peut être complétée par d'autres opérations d'usinage et perçage de la pâte de céramique crue.

[0055] Les électrodes sont de préférence réalisées par extrusion puis usinage de ces blocs pour leur donner la forme désirée (conique avec une ouverture au sommet et des décrochements facilitant leur mise en place dans le fourreau). Les blocs de céramique électriquement isolante crue sont revêtus d'une barbotine de céramique électriquement conductrice crue. Alternativement, elles pourraient être revêtues d'une encre conductrice à base de métal réfractaire (tungstène notamment).

[0056] Sur les figures, on a représenté des électrodes dont les parties conductrices sont à symétrie de révolution. On peut cependant prévoir n'importe quel motif de zone conductrice sans difficulté particulière, alors que l'usinage de blocs métalliques selon des formes non symétriques posait beaucoup plus de problèmes dans l'art antérieur.

[0057] Cette disposition permet de limiter les électrons réfléchis en créant une dissymétrie du champ électrique appliqué par l'électrode ainsi constitué tout en conservant une électrode axisymétrique simple à fabriquer.

[0058] Les blocs de céramique composite crue revêtus d'une couche électriquement conductrice sont insérés dans le fourreau, les tiges des traversées conductrices sont mises en place, une pâte conductrice (céramique ou encre conductrice au tungstène) peut être déposée, par exemple au pinceau, sur les extrémités de ces tiges pour faciliter la liaison électrique entre ces tiges et les surfaces conductrices des électrodes.

[0059] De même, une encre conductrice au tungstène ou une pâte de céramique conductrice peut être déposée à l'intérieur du fourreau, au pinceau et/ou par trempage et/ou par projection ou pulvérisation, pour réaliser la surface conductrice représentée par la ligne 90 de la figure 3. Un film conducteur peut également être déposé à l'extérieur du fourreau (sans établir de liaison électrique avec les surfaces intérieures au tube), pour assurer le blindage électromagnétique du collecteur.

[0060] La dernière électrode 60, qui forme le fond du tube, est mise en place, avec sa tige conductrice 62, après ces opérations.

[0061] L'ensemble des électrodes, du fourreau, et des tiges conductrices, est cofritté pour aboutir à la structure de collecteur désirée.

[0062] La figure 9 représente, en vue partiellement ouverte, le bloc de collecteur ainsi réalisé. Dans sa version préférée, toutes les électrodes ainsi que le fourreau sont en céramique au moins superficiellement conductrice.

[0063] La céramique préférée pour toutes les parties isolantes est de préférence à base de nitrure d'aluminium AIN (jusqu'à 100%). La conductivité thermique du nitrure d'aluminium est d'environ 180 watts/mK. Au nitrure d'aluminium peuvent être mélangés en faible proportion du carbure de silicium SiC ou du nitrure de titane TiN. Des ajouts de frittage en faible proportion (inférieure à 10%) peuvent être inclus dans la pâte de céramique crue pour faciliter le frittage ou le cofrittage avec d'autres céramiques.

[0064] Pour les parties électriquement conductrices de l'électrode, la céramique est de préférence en nitrure de titane TiN, mais peut être également en carbure de titane TiC, carbure de tungstène WC, carbure de silicium SiC. Ces matériaux peuvent être mélangés à du nitrure d'aluminium. Dans le cas où les parties superficielles conductrices sont métalliques, le métal est de préférence du tungstène ou du molybdène. Là encore des ajouts de frittage sont avantageusement prévus, notamment pour faciliter le cofrittage avec le nitrure d'aluminium.

[0065] La granulométrie des poudres utilisées pour réaliser les céramiques permet de jouer sur la texture de la surface conductrice de l'électrode, une granulométrie contrôlée de l'ordre du micromètre (0,5 à 2 micromètres) aboutissant à former des microcavités superficielles tendant à limiter l'émission secondaire d'électrons lorsque l'électrode est bombardée par des électrons.

[0066] Les tiges conductrices constituant les traversées dans les céramiques isolantes peuvent être en nitrure de titane, en carbure de titane, ou en carbure de silicium, ou en mélange de ces matériaux. Là encore, des ajouts de frittage peuvent être prévus. Les tiges peuvent aussi être en tungstène ou molybdène.

[0067] Les ajouts de frittage peuvent être typiquement de l'oxyde d'yttrium Y2O3, de l'oxyde de calcium CaO, du fluorure d'yttrium YF3, du fluorure de calcium CaF2.

[0068] Le nitrure d'aluminium (isolant) et le nitrure de titane (conducteur) présentent des caractéristiques voisines, en particulier en termes de cinétique de densification lors du cofrittage, aboutissant à une liaison forte inorganique, de type iono-covalente.

[0069] On sait que la céramique crue subit un rétreint important lors du frittage (de l'ordre de 15 à 30%). On tient évidemment compte de ce rétreint pour déterminer l'usinage des pièces de céramique crue. On profitera de ce rétreint pour assurer un frettage (serrage radial vers l'intérieur) du fourreau sur les électrodes pendant l'opération de frittage.

[0070] Les assemblages d'électrodes ainsi réalisés peuvent supporter de très hautes températures de fonctionnement sans entraîner des phénomènes de dégazage comme sur des électrodes métalliques de l'art antérieur.

[0071] Concernant le fourreau, on peut remarquer que l'invention peut faciliter le refroidissement du tube par fluide (et notamment un liquide tel qu'une huile isolante électrique ou de l'eau désionisée) si on mélange dans le corps du fourreau des canaux réalisés au cours de l'extrusion du fourreau.

[0072] En effet dans l'art antérieur, le fluide devait posséder une rigidité diélectrique suffante pour s'accommoder des faces externes des électrodes et de l'enveloppe externe soumises à des tensions différentes entre elles.

[0073] Dans l'invention, le structure de l'enveloppe externe en céramique peut avantageusement être traversée dans le sens longitudinal par des capillaires dans lequel on peut faire circuler un fluide de refroidissement. Outre la proximité du fluide de refroidissement par rapport aux surfaces internes à refroidir, cette disposition permet d'utiliser un fluide standard tel que de l'eau puisque le fluide n'est plus directement au contact des électrodes. Le fluide est en contact direct avec l'enveloppe sur toute la longueur de celle-ci.

[0074] Cette nouvelle disposition, permet également d'éviter l'apparition de couple galvanique, de corrosion chimique. Le nitrure d'aluminium étant particulièrement inerte chimiquement.

Revendications

1. Tube à vide caractérisé en ce qu'il comporte au moins une électrode (30, 40, 50, 60) réalisée sous forme d'un bloc de céramique électriquement isolante à forte conductivité thermique, caractérisé en ce que ce bloc est cofritté avec une couche mince superficielle de céramique électriquement conductrice sur au moins une partie de sa surface.

2. Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bloc de céramique a une conductivité thermique d'au moins 100 watts/mK à 20°C.

3. Tube selon la revendication 2, caractérisé en ce que la céramique isolante est principalement à base de nitrure d'aluminium.

4. Tube selon la revendication 3, caractérisé en ce que la céramique superficiellement conductrice est à base de nitrure de titane, ou carbure de titane, ou carbure de silicium, ou carbure de tungstène, ou en mélange de deux ou plus de ces matériaux.

5. Tube selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend, pour assurer la connexion de l'électrode vers l'extérieur du tube, une tige en céramique conductrice (32) en contact d'un côté avec une partie conductrice de l'électrode, à l'intérieur du tube, et traversant une céramique isolante faisant partie de l'électrode et/ou d'une enveloppe isolante du tube, et cofrittée avec cette céramique isolante.

6. Tube selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une enveloppe externe en céramique électriquement isolante et des moyens de refroidissement par circulation de liquide en contact direct avec cette enveloppe sur toute la longueur de l'enveloppe.

7. Tube selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'électrode est un collecteur d'électrons.

8. Procédé de fabrication de tube à vide caractérisé en ce qu'il comprend la réalisation d'au moins une électrode du tube en céramique composite, en cofrittant une céramique électriquement conductrice sur une céramique électriquement isolante à forte conductivité thermique.

9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la céramique conductrice est déposée en couche mince sur une partie de la surface de la céramique isolante.

10. Procédé selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que l'électrode est réalisée en déposant une fine couche de céramique conductrice crue sur une pâte crue de céramique isolante.

11. Procédé selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que l'électrode est un collecteur d'électrons.

Claims

1. A vacuum tube, characterised in that it comprises at least one electrode (30, 40, 50, 60) produced in the form of an electrically insulating ceramic block with high thermal conductivity, characterised in that said block is cofired with a thin surface layer of electrically conductive ceramic on at least one portion of its surface.

2. The tube according to claim 1, characterised in that the ceramic block has a thermal conductivity of at least 100 watts/mK at 20°C.

3. The tube according to claim 2, characterised in that the insulating ceramic is mainly based on aluminium nitride.

4. The tube according to claim 3, characterised in that the surface conductive ceramic is based on titanium nitride or titanium carbide or silicon carbide or tungsten carbide or a mixture of two or more of these materials.

5. The tube according to any one of claims 1 to 4, characterised in that it comprises a rod (32) made from conductive ceramic so as to connect the electrode with the outside of the tube, one side of said rod being in contact with a conducting portion of the electrode inside the tube and passing through an insulating ceramic forming part of the electrode and/or an insulating envelope of the tube, and which is cofired with said insulating ceramic.

6. The tube according to any one of claims 1 to 5, characterised in that it comprises an external envelope made from electrically insulating ceramic and cooling means by circulation of liquid in direct contact with said envelope over the entire length of the envelope.

7. The tube according to any one of claims 1 to 6, characterised in that the electrode is an electron collector.

8. A process for producing a vacuum tube, characterised in that it comprises the production of at least one electrode for the tube from a composite ceramic, by cofiring an electrically conducting ceramic with an electrically insulating ceramic with high thermal conductivity.

9. The process according to claim 8, characterised in that the conducting ceramic is deposited as a thin layer on a portion of the surface of the insulating ceramic.

10. The process according to any one of claims 8 to 9, characterised in that the electrode is produced by depositing a thin layer of raw conductive ceramic on a raw compound of insulating ceramic.

11. The process according to any one of claims 8 to 10, characterised in that the electrode is an electron collector.

Ansprüche

1. Vakuumröhre, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens eine Elektrode (30, 40, 50, 60) umfasst, die in Form eines elektrisch isolierenden Keramikblocks mit hoher Wärmeleitfähigkeit produziert wurde, dadurch gekennzeichnet, dass der Block gemeinsam mit einer dünnen Oberflächenschicht aus elektrisch leitender Keramik auf wenigstens einen Teil seiner Oberfläche gebrannt ist.

2. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikblock eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 100 Watt/mK bei 20°C hat.

3. Röhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Keramik hauptsächlich auf Aluminiumnitrid basiert.

4. Röhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die oberflächenleitende Keramik auf Titannitrid oder Titancarbid oder Siliciumcarbid oder Wolframcarbid oder einer Mischung aus zwei oder mehr dieser Materialien basiert.

5. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie zum Verbinden der Elektrode mit der Außenseite der Röhre einen Stab (32) aus leitender Keramik umfasst, wobei eine Seite des Stabs mit einem leitenden Teil der Elektrode innerhalb der Röhre in Kontakt ist und eine isolierende Keramik durchläuft, die Bestandteil der Elektrode und/oder einer Isolierhülle der Röhre ist, und die gemeinsam mit der isolierenden Keramik gebrannt ist.

6. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine äußere Hülle aus einer elektrisch isolierenden Keramik und Kühlmittel durch Umlaufen von Flüssigkeit in direktem Kontakt mit der Hülle über die gesamte Länge der Hülle umfasst.

7. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode ein Elektronenkollektor ist.

8. Verfahren zur Herstellung einer Vakuumröhre, dadurch gekennzeichnet, dass es die Produktion wenigstens einer Elektrode der Röhre aus einem keramischen Verbundwerkstoff durch gemeinsames Brennen einer elektrisch leitenden Keramik auf eine elektrisch isolierende Keramik mit hoher Wärmeleitfähigkeit beinhaltet.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Keramik als dünne Schicht auf einen Teil der Oberfläche der isolierenden Keramik aufgebracht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode durch Auftragen einer dünnen Schicht aus roher leitender Keramik auf eine rohe Masse aus isolierender Keramik erzeugt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode ein Elektronenkollektor ist.

Dessins