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tungsten
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BARIUM
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rhenium
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tantalum
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calcium
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strontium
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nickel
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magnesium
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osmium
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Generic
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METAL
(14)
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ALUMINATES
(3)
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barium aluminates
(1)
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Physical
(10/ 14)
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50 percent
(3)
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de 15 micrometres
(2)
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3 percent de
(2)
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0.015 mm
(1)
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3 percent
(1)
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20 percent de
(1)
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2eV
(1)
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6.3V
(1)
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300 mA
(1)
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100 megahertz
(1)
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Gene Or Protein
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Etre
(6)
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Est A
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Refractaire
(2)
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CES
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DANS
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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2514945A1
Family ID 8032574
Probable Assignee Thomson Csf
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title CATHODE A CHAUFFAGE INDIRECT ET TUBE ELECTRONIQUE, A RAYONS
CATHODIQUES NOTAMMENT, MUNI D'UNE TELLE CATHODE
EN Title INDIRECTLY HEATED CATHODE E.G. FOR CRT - WHERE THIN TUBE MADE
OF REFRACTORY METAL IS USED TO CARRY PASTILLE IMPREGNATED WITH EMITTER
MATERIAL, ESP. BARIUM SCANDATE
Abstract
_________________________________________________________________
AFIN DE PERMETTRE L'UTILISATION DE PASTILLES EMISSIVES IMPREGNEES
(tungsten, ALUMINATES) SANS DEPENSE EXCESSIVE DE CHAUFFAGE, A PARTIR
D'UN FILAMENT SANS CONTACT AVEC LA PASTILLE ET LA CHAUFFANT PAR
RAYONNEMENT, L'INVENTION PREVOIT DE CONSTITUER UNE TELLE CATHODE PAR
UN TUBE DE METAL 8 TRES MINCE (15MM), OBTURE A L'UNE DE CES EXTREMITES
PAR LA PASTILLE 20 ET DANS LEQUEL EST LOGE LE FILAMENT 5.
APPLICATION AUX TUBES A RAYONS CATHODIQUES A GRANDE DENSITE
ENERGETIQUE DE SPOT, TUBES POUR AVIONIQUE NOTAMMENT.
The cathode includes a thin-walled metal tube (a), which is closed at
one end by a porous pastille (b) made of a metal with a high m.pt. and
impregnated with a material (b1) emitting electrons above a certain
temp. A heater filament is located inside tube (a). Tube (a) is pref.
made of Ta and has a wall thickness of 0.015 mm. Alternatively, tube
(a) is made of an alloy of Mo with 50 percent Re. Pastille (b) is
pref. made of tungsten, whereas material (b1) is esp. barium scandate
with the formula 3BaO, 2Sc203. The heater filament is pref. made of
tungsten contg. 3 percent Re. The cathode is used esp. in an electron
tube, partic. a cathode ray tube. Tube (a) functions as a thermal
screen; and the cathode has a very high emission and long working
life.
Description
_________________________________________________________________
ATHODE A CHAUFFAGE INDIRECT ET TUBE ELECTRONIQUE.
A RAYONS CATHODIQUES NOTAMMENT, MUNI D'UNE TELLE CATHODE.
L'invention concerne une cathode a chauffage indirect.
L'ensemble emissif que l'on trouve couramment dans bon nombre de tubes
electroniques, les tubes a rayons cathodiques notamment, consiste en
une cathode dite "a oxydes", a chauffage indirect, constituee
principalement par un filament loge dans une piece creuse formant le
corps de cathode; le filament est place dans la piece creuse, sans
contact avec elle, et lui transmet sa chaleur par rayonnement.
L'emission est fournie par une couche d'oxydes mixtes de barium,
strontium et calcium (Ba, Sr, Ca) O recouvrant une partie de la
surface du corps de cathode, lui-meme en nickel de composition
controlee et dope d'un reducteur tel que le magnesium; pour fixer les
idees, on rappellera que le corps de cathode a generalement la forme
d'un petit cylindre embouti, dont la face terminale concave ou plane
porte le revetement emissif.
En fonctionnement, la temperature de cette partie de la cathode est
voisine de 800"C. Pour cela, la temperature du filament, libre dans le
corps de cathode qu'il chauffe par rayonnement, doit etre voisine de
10500C. Ce dernier est generalement constitue de tungsten pur,
recouvert d'alumine. Quant a l'emission, elle a lieu grace-a la
formation de barium libre dans la couche d'oxydes, resultant de divers
phenomenes dont elle est le siege en fonctionnement, et dans le detail
desquels on ne rentrera pas ici. Le travail de sortie est dans ces
conditions de leV.
Au cours du fonctionnement, le barium libre migre a la surface et
s'evapore au fur et a mesure que l'emission se poursuit, si bien que
celle-ci finit par decrotte sensiblement, pour cesser lorsque la
reserve de barium est epuisee; cet epuisement se produit d'autant plus
vite que l'emission est forte et un compromis est necessaire entre la
duree de vie D et la densite J du courant emis; au dela d'une densite
de 1 ampere par centimetre carre environ (lA/cm2), calculee au centre
de la cathode, le produit de ces deux quantites, pratiquement
constant, est fixe par la quantite totale de produit emissif
disponible.
Les caracteristiques de la cathode subissent la meme evolution dans le
temps.
Pour certains tubes professionnels, necessitant des debits de cathode
plus importants et une bonne stabilite de caracteristiques, il
convient de faire appel a un autre type de cathode, la cathode
"impregnee". La partie emissive de cette cathode est constituee d'une
pastille de tungsten poreux (20 percent de prorosite globale
generalement) impregnee d'barium aluminates, calcium. L'emission est
rendue possible par la formation, sous l'action de la temperature,
d'une monocouche dipolaire Ba - O qui se forme a la surface du pave de
tungsten et qui abaisse le travail de sortie des electrons juqu'a 2eV,
valeur toutefois superieure a celle des cathodes a oxydes donnee plus
haut, imposant une temperature de fonctionnement plus elevee.
La structure de la cathode devient alors plus complexe. En effet, la
temperature ideale de fonctionnement, correspondant au travail de
sortie minimum, approximativement 10300C, impose au filament, pour des
raisons de tenue mecanique, de chauffer la cathode non plus par
rayonnement mais par conduction. L'ecart de temperature, soit 200C,
entre filament et cathode est alors moindre que dans le cas du
filament libre des cathodes a oxydes, ou il etait de 250"C d'apres ce
qui precede. Un tel filament est dit "filament bloci' et sa
realisation prevoit de combler l'espace filament cathode par une masse
d'un materiau isolant electriquement, de l'alumine, par exemple.Pour
une meme puissance de chauffage, il y a en outre necessite- d'ajouter
un ecran thermique supplementaire d'epaisseur tres faible. La cathode
se trouve ainsi en general munie de deux ecrans, ou deflecteurs, qui
permettent l'obtention de la temperature avec les alimentations et les
puissances standard utilisees pour les cathodes a oxydes.
En resume, pour des causes inherentes aux principes de fonc
tionnement, la duree de vie de la cathode impregnee ne depend que de
la temperature qui determine le flux de barium migrant vers la surface
par les pores du pave, et l'on peut, dans les limites du courant de
saturation, obtenir des densites de courant au centre de la cathode
dix fois superieures aux limites raisonables pour les cathodes a
oxydes, sans affecter leur duree de vie.
La reserve de barium est, en effet, suffisante pour que la duree de
vie de la cathode ne soit pratiquement pas limitee par la quantite
totale d'atomes disponibles. C'est ce qui se produit aussi dans une
certaine mesure, avec les cathodes simples, a couche, precedentes,
lorsque la densite d'emission demandee est faible (inferieure a lA/cm2
d'apres les chiffres cites).
Cependant, un tel systeme a filament bloc, presente une inertie
thermique non negligeable et qui peut necessiter, dans le cas d'un
besoin de mise en oeuvre rapide le maintien en permanence sous tension
- reduite eventuellement - du filament. De plus, la realisation du
filament bloc, de part les manipulations necessaires, augmente
considerablement le cout de la cathode.
Pour de plus amples informations concernant ces sortes de cathodes, on
pourra se reporter notamment aux rapports des travaux du Congres
International du Centenaire de la Cathode a Oxydes publie par la revue
"Le vide" - n" 51, Mai 1954.
L'invention decrit une cathode presentant les avantages d'une cathode
impregnee, a savoir une grande densite de courant et une longue duree
de vie, allies a ceux des cathodes a oxydes les plus simples, a
filament chauffant libre dans l'espace interieur du corps de la
cathode.
L'utilisation d'un tel filament chauffant, exercant son action par
rayonnement, entraine, comme dans le cas de ces cathodes simples,
I'existence d'un fort gradient de temperature, chiffre plus haut a
environ 2500 C. Comme d'autre part les cathodes impregnees necessitent
une temperature de 10300C environ selon les indications precedentes,
des dispositions sont prevues pour reduire au minimum les pertes
thermiques de l'ensemble cathodique en fonctionnement, dans les
conditions qui seront precisees.
L'invention sera mieux comprise en se reportant a la description qui
suit et aux figures jointes qui representent; - figure l:: Une vue en
coupe schematique d'une cathode a oxydes telle que connue de l'art;
- figure 2: Une vue en coupe schematique d'une cathode impregnee telle
que connue de l'art;
- figure 3: Une vue en coupe schematique de la cathode de l'invention.
La figure l montre une cathode a oxydes telle que connue de l'art. Le
corps de cathode 1 consiste en un cylindre creux ferme a l'une des ces
extremites, fait dans l'exemple en deux parties 10 et li; partie Il,
qui en constitue le fond, porte le revetement emissif d'oxydes designe
par le repere 2. Un ecran thermique 3, ou deflecteur est fixe par tout
moyen au corps de cathode, a sa base comme le montre le dessin. Une
entretoise en materiau electriquement isolant 4 sert de soutien a
l'ensemble monte dans le tube. A l'interieur du cylindre creux est
dessine schematiquement le filament chauffant 5, sans contact avec le
corps de cathode, dans lequel il est libre.
La figure 2, montre un exemple de cathode impregnee telle que comme de
l'art egalement. On y retrouve, avec les memes reperes un certain
nombre des elements de la figure l. Les differences avec cette
derniere portent sur la structure du corps de cathode.
Une piece epaisse 110 comporte a sa partie superieure un evidemment
rempli du corps emissif, lequel comme on l'a dit consiste en une
pastille de tungsten poreuse 20 impregnee d'aluminates; a sa partie
inferieure cette piece est creusee pour recevoir le filament chauffant
5 qui,ici, est noye dans une masse pulverulente d'un corps
electriquement isolant, de l'amunine par exemple, portant le repere 6
et representee sur le dessin par la surface couverte de points.
La piece epaisse 110, constituee d'un metal a haut point de fusion ou
refrataire, est generalement obtenue par tournage a partir d'un
barreau de ce metal. Des traitements thermiques sont necessaires pour
stabiliser et la pastille emissive 20 et l'isolant dans lequel est
noye le filament. La nature des metals, la structure des pieces et ces
traitement thermiques augmentent considerablement le cout de
l'ensemble cathodique par rapport au cas precedent. De plus, un ecran
thermique supplementaire, outre l'ecran 3, est a prevoir sous forme
d'un cylindre, en metal refractaire lui aussi, et de tres faible
epaisseur, 7 sur le dessin.
La figure 3, montre la structure d'une cathode de l'invention elle est
donnee a titre non limitatif, etant admis que toutes les variantes de
details accessible a l'homme de l'art qui pourraint y etre apportees
seraient egalement comprises dans la portee de l'invention.
Dans la structure representee, le corps de cathode est constitue par
un tube lisse 8 de tres faible epaisseur en un metal refractaire, par
exemple le mobybdene deja cite, ou le tantalum notamment, ou en un
alliage eventuellement. La partie superieure du tube est obturee par
la pastille emissive constituee, comme dans Exemple de la figure 2, et
qui porte le meme repere 20. A
I'interieur du tube, sous la pastille, est loge le filament chauffant
5, dispose libre dans le tube, c'est-a-dire sans contact avec lui; il
est soutenu dans cette position par tout moyen, non represente, comme
dans le cas de la figure 1. Il est revetu d'un isolant electrique,de
l'alumine A12 03, par exemple.
Le tube 8 est choisi de tres faible epaisseur, de facon a constituer
un ecran thermique par le fort gradient de temperature regnant, en
fonctionnement, entre son extremite superieure, a la temperature de la
pastille emissive, et son extremite opposee. Il peut etre obtenu par
exemple, a partir d'une feuille du metal choisi roulee puis soudee,
electriquement le long d'une generatrice; son epaisseur est de l'ordre
du centieme de millimetre; valeur alliant une bonne tenue mecanique et
une action efficace comme ecran est de 15 micrometres. Cette epaisseur
n'est pas representee a l'echelle sur le dessin de la figure 3, ni en
proportion avec les tubes (10, 7) occupant la meme position dans les
autres figures et qui sont, au contraire, beaucoup plus epais dans
l'art anterieur de ces figures.On a cite parmi les metals refractaires
le mobybdene comme materiau constitutif de ce tube ainsi que le
tantalum. Un alliage de mobybdene et de rhenium a 50 percent, par
exemple convient aussi tres bien a cet usage.
La pastille emissive 20 est preparee dans les conditions connues pour
une bonne porosite et pour eviter la migration des oxydes vers
l'espace filament inferieur. Elle est ensuite introduite dans le tube
de maniere a affleurer a l'extremite de celui-ci, puis soudee a
celuici par tout moyen, le soudage electrique notamment.
L'ecran thermique 3 et!'entretoise 4, en ceramique, sont fixes comme
dans le cas des cathodes a oxydes ordinaires, suivant la figure 1. Le
laser ou la brasure peuvent etre utilises, de facon generale, a la
place de la soudure electrique.
Dans une version preferee de l'invention, on utilise un filament de
tungsten au rhenium, a 3 percent de ce dernier corps, au lieu d'un
filament en tungsten pur, de maniere a obtenir la temperature, de
l'ordre de 11500C A 12009C, necessaire au chauffage de la pastille.
Celle-ci, toujours dans une version preferee, est constituee de
tungsten impregne au barium,de formule 2Sc2 03, 3
Ba O de preference aux aluminates mentionnes (dans ce cas, une
couverture d'osmium etait prevue sur la face avant de la pastille).
Dans ces conditions, on opere avec un filament dont la temperature est
comprise entre les valeurs citees pour une temperature d'emission de
la pastille de 9200C A 930"C; les memes alimentations que celles des
cathodes a oxydes ordinaires, selon la figure 1, peuvent etre
utilisees (6.3V - 300 mA pour une cathode de 2 2W). On obtient ainsi
des densites elevees de l'ordre de 6 a 8 A/cm2, de longue durees de
vie et un cout relativement faible a la realisation et Pexploitation.
Les caracteristiques de la cathode de l'invention lui permettent
d'etre utilisee dans tous les tubes a rayons cathodiques neces sitant
une charge de cathode elevee, des caracteristiques electriques stables
ou la possibilite d'une mise en oeuvre rapide.
Certains tubes professionnels demandent une telle densite de courant
elevee au niveau de la cathode pour permettre une grande densite
energetique du spot. Ces tubes sont par exemple:
- les tubes de mesure a grande bande passante (en particulier
superieure a 100 megahertz). Leurs canons sont tres diaphragmes, et
les electrons utiles sont ceux en provenance de l'extreme centre
optique de la cathode, qui doit alors pouvoir emettre en son centre
une densite de courant elevee.
- les tubes pour avionique demandant une tres forte luminosite liee
directement a la densite de courant debitee par la cathode.
- les tubes moniteurs a tres haute definition.
Claims
_________________________________________________________________
REVENDICATIONS
1. Cathode a chauffage-indirect, constituee d'un corps creux muni
d'une pastille poreuse (20) d'un metal a haut point de fusion
impregnee d'une matiere emissive pour l'emission d'electrons a partir
d'une certaine temperature, et contenant un filament chauffant en
fonctionnement ladite pastille a cette temperature, caracterise en ce
que ce corps creux consiste en un tube mince (8) en metal obture a
l'une de ses extremites par ladite pastille (20) et dans lequel le
filament(5) est loge sans contact avec lui.
2. Cathode suivant la revendication 1, caracterisee en ce que ledit
tube (8) est fait de tantalum de 15 micrometres d'epaisseur.
3. Cathode suivant la revendication 1, caracterisee en ce que ledit
tube (8) est fait d'un alliage de mobybdene et de rhenium, a 50
percent.
4. Cathode suivant la revendication 1, caracterisee en ce que le metal
a haut point de fusion est le tungsten et la matiere emissive du
barium de formule 2Sc2 03, 3 Ba 0.
5. Cathode suivant la revendication 1, caracterisee en ce que le
filament (5) est fait d'un alliage de tungsten et de rhenium a 3
percent de rhenium.
6. Tube electronique, a rayons cathodiques notamment, caracterise en
ce qu'il comporte une cathode suivant l'une des revendications 1 a 5.
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