Cathode thermionique pour dispositif à décharge électronique La présente invention a pour objet une cathode thermionique pour un dispositif à dé charge électronique, notamment à vide très poussé.
Ainsi que l'on sait, la partie la. plus impor tante de tous les dispositifs à décharge élec tronique est la cathode. Les principaux fac teurs qui déterminent les caractéristiques des cathodes sont les courants électroniques qu'el les peuvent émettre, les tensions nécessaires pour obtenir des courants déterminés et la durée de vie des cathodes.
Les cathodes thermioniques actuellement employées sont le plus souvent constituées par un support sur lequel est déposée une couche d'une substance apte à émettre des électrons. Pour qu'elle fonctionne, la cathode est chauf fée à une température élevée qui, la plupart du temps, dans le cas de cathodes du type à revêtements d'oxydes, est de l'ordre de 800() C.
Dans les cathodes de type connu, la densité maximum de courant qu'on peut obtenir pour un fonctionnement continu est relativement basse; c'est-à-dire de l'ordre de 500 mA par cm2 de surface cathodique, pour les cathodes à oxydes. Ainsi que l'on sait, dans les disposi tifs à décharge dans un vide poussé, le courant électronique est déterminé par la loi de Child, selon laquelle le courant est proportionnel à la puissance 3/2 de la tension efficace d'accélé ration qui agit sur la cathode. De plus, la réali sation de courants de cet ordre de grandeur exige l'emploi de champs élevés à la cathode.
Il s'ensuit que la pervéance est basse, la per- véance étant définie par le rapport
EMI0001.0014
où 1 est le - courant électronique en Ampères et V est' la tension d'accélération, en- Volts efficaces, qui agit sur la cathode. Dans les structures de type connu de bonne construc tion, on a obtenu des pervéances variant de 1 à 2.10-s environ.
Dans un certain nombre de dispositifs à décharge électronique, notamment dans les dis positifs du type à rayons cathodiques ou à faisceau électronique, il est souvent désirable que le faisceau possède une particulière confi guration et ait une direction donnée. Par exemple, dans quelques tubes à onde progres= cive et dans les klystrons, il est avantageux que le faisceau ait la forme d'un cylindre creux. De même, dans différents dispositifs à décharge, il peut être désirable d'avoir des faisceaux parallèles, convergents ou diver gents.
En outre, dans d'autres dispositifs, on exige des faisceaux à section circulaire ; dans d'autres, le faisceau doit avoir une section rec tangulaire. De tels faisceaux présentant diffé rentes configurations et directions ont été ob tenus jusqu'à ce jour, mais leur réalisation a exigé l'emploi de structures complexes pour les électrodes ou de dispositifs compliqués de focalisation et de collimation, ou les deux en même temps.
La présente invention a pour but d'amélio rer les caractéristiques des cathodes thermioni- ques par rapport à celles de. type connu.
Selon l'invention, la cathode thermionique pour dispositif à décharge électronique dans un vide poussé comprenant un corps creux dont au moins une partie de la surface inté rieure est recouverte d'une substance suscepti ble d'émettre des électrons, est caractérisée en ce que ledit corps est pratiquement fermé, à l'exception d'au moins une ouverture pour la sortie des électrons dont la dimension trans versale minimum -est de 0,25 mm et qu'au moins les parties de ladite surface intérieure adjacentes à l'ouverture sont recouvertes d'une substance susceptible d'émettre des électrons.
Cette disposition peut permettre non seu lement d'augmenter la densité de courant ther- mionique de la cathode, mais encore de réali ser une émission qui ne soit pas limitée par la loi Child, et d'accroître la pervéancé du dis positif électronique dans lequel la cathode est montée.
De plus, la construction de l'ensemble ca thodique émetteur d'électrons peut être simpli fiée et la production de faisceaux électroniques ayant des configurations et des directions déter minées peut être rendue plus aisée.
Le dessin annexé représente, à titre d'exem ple, quelques formes d'exécution de la ca thode faisant l'objet de l'invention.
La fig. 1 est une élévation d'un dispositif à décharge électronique comprenant une forme d'exécution de la cathode thermionique la fig. 2 est une coupe diamétrale de la cathode du dispositif de la fig. 1 ; la fig. 3 est une vue, à échelle agrandie, d'une partie de la cathode de la fig. 2 ; la fig. 4 est un diagramme représentant la caractéristique d'émission électronique d'une forme d'exécution de la cathode ;
la fig. 5 est une coupe longitudinale d'une autre forme d'exécution de la cathode ; la fig. 6 est une coupe longitudinale d'une autre forme d'exécution ; la fig. 7 illustre une forme d'exécution comprenant un orifice rectangulaire pour l'émission d'électrons ; la fig. 8 est une coupe partielle transver sale d'une autre forme d'exécution comprenant un orifice rectangulaire pour l'émission d'élec trons ; la fig. 9 est une coupe longitudinale d'une forme d'exécution munie d'une électrode auxi liaire ; la fig. 10 est une coupe longitudinale d'une autre forme d'exécution également munie d'une électrode auxiliaire ;
la fig. 11 est une élévation, en coupe par tielle, d'un, dispositif à décharge électronique comprenant une autre forme d'exécution de la cathode ; la fig. 12 montre une coupe en perspective de la cathode de la fig. 11 ; la fig. 13 est un diagramme représentant la variation du courant émis par la cathode sphérique creuse de la fig. 12, en fonction des tensions de plaque ; la fig. 13A montre, à une échelle plus grande, une partie du diagramme de la fig. 13 ; la fig. 14 est une coupe d'une cathode com prenant une paire d'ouvertures pour l'émission des faisceaux ;
la fig. 15 est une élévation d'une forme d'exécution comprenant une cavité toroïdale ; la fig. 16 est une perspective de la forme d'exécution de la fig. 15 ; la fig. 17 est le plan d'une autre forme d'exécution comprenant une cavité toroïdale ; la fig. 18 est une vue en perspective de la forme d'exécution de la fig. 17 ; la fig. 19 est une coupe en perspective d'une cathode sphérique creuse éomprenant une électrode auxiliaire ;
la fig. 20 est la perspective d'une coupe d'une cathode sphérique creuse et d'une élec trode auxiliaire cylindrique la fig. 21 est une élévation, en coupe par tielle, d'un dispositif à décharge électronique comprenant une forme d'exécution de la ca thode ; la fig. 22 est le plan de la cathode et de la partie chauffante du dispositif illustré à la fig. 21 la fig. 23 est un diagramme représentant les caractéristiques d'émission électronique de la cathode de la fig. 21 ;
la fig. 24 est un diagramme représentant la relation entre les caractéristiques d'émission individuelles des orifices de la cathode de la fig. 21 ; la fig. 25 est une coupe longitudinale d'une cathode cylindrique creuse ; la fig. 26 est une coupe partielle d'une autre forme d'exécution; et la fig. 27 est une coupe longitudinale d'un dispositif de décharge électronique comprenant une autre forme encore de la cathode.
En se référant à la fig. 1, le dispositif à. décharge électronique comprend généralement une enveloppe 10 à vide poussé qui renferme un ensemble d'électrodes comprenant une anode, ou électrode accélératrice 11, et une cathode 12. La cathode 12 comprend un cy lindre creux 13, par exemple en nickel, qui est complètement fermé, à l'exception d'un ori fice 14. La surface intérieure du cylindre 13 délimite une cavité 15 dont les parois sont revêtues d'une couche 16 d'une substance émissive apte à émettre des électrons. La cou che 16 de substance émissive, telle qu'une mix ture d'oxydes de barium, de strontium et de calcium, couvre pratiquement toute la surface intérieure du cylindre 13.
L'émission électro nique de la cathode sort par l'orifice 14 qui met en communication la cavité 15 et la sur face extérieure de la cathode. , Un élément de chauffage 17 qui, dans le cas représenté, est une résistance hélicoïdale, est monté à l'extrémité du cylindre 13 opposée à l'ouverture 14, de manière à transmettre la chaleur à la cathode. L'élément chauffant 17 est entouré d'un manchon de protection 18 en métal, par exemple en nickel, qui forme un écran contre la chaleur et assure le chauffage efficace du cylindre 13, et la cathode 12 est elle-même renfermée dans un écran 19 de la: même matière que celle de l'écran 18.
L'anode 11 est située en regard de l'orifice 14. Par exemple, dans une forme particulière d'exécution, l'anode était située à 0;095 cm du cylindre 13. L'anode est un disque circulaire monté à une distance convenable de l'enve loppe 10. Des moyens avantageux de montage pour chacune des électrodes sont des fiches terminales passant à travers l'enveloppe 10.
Le cylindre 13 de la fig. 1 est montré plus clairement sur la fig. 2. Il comprend une ca vité cylindrique 15, une couche 16 de subs tance émissive recouvrant les parois limitant la cavité 15, et un orifice central 14 pratiqué dans une paroi. Le cylindre 13, qui, pour ren dre la figure plus claire, est dessiné à une échelle agrandie, a en réalité un diamètre maximum de 0,375 cm, une hauteur de 0,15 cm et une épaisseur de paroi de l'ordre de 0,0125 cm. L'orifice 14 est circulaire, avec un diamètre de 0,050 cm.
Le diamètre de l'orifice 14 peut varier entre les limites de 5 à 40 % du diamètre de la cavité, avec une valeur minimum de l'ordre de 0,025 cm, tout en permettant l'accroissement de l'émission de cette cathode creuse. Par exemple, dans une cathode ayant les dimensions précisées ci- dessus, l'orifice pourra avoir un diamètre com pris entre 0,025 et 0,14 cm tout en assurant les caractéristiques supérieures de fonctionne ment de la cathode creuse.
Dans le cas de la cathode creuse compre nant des cavités ou des ouvertures non circu laires, on obtient une émission électronique accrue lorsque la surface de l'ouverture est de l'ordre de 5 à 40 % de la surface de la pro- jection de la cavité sur le plan de l'ouverture.
Bien que le diamètre de l'orifice puisse va rier dans de larges limites, il a été trouvé que lorsque le diamètre de l'orifice est dans un certain rapport avec sa longueur, c'est-à-dire avec l'épaisseur de la paroi de la .cathode, cer taines caractéristiques du faisceau électronique émis par la cathode peuvent être contrôlées. Lorsque le diamètre D d'un orifice circulaire 14 est plus grand que sa longueur L, la ca thode produira un faisceau creux d'électrons dont le diamètre extérieur est pratiquement égal au diamètre D de-l'orifice. D'autre part, lorsque le diamètre D de l'orifice est inférieur à sa longueur L, le faisceau obtenu est plein.
La relation peut être exprimée de la manière suivante : si D/L <I>> 1,</I> on obtient un faisceau creux, et si D/L <I> < 1,</I> le faisceau produit est plein. Les expressions creux et plein sont employées -pour indiquer, dans le premier cas, que toute l'énergie électronique est trans portée dans un faisceau à section annulaire, tandis que la dernière expression indique que l'intensité du faisceau est pratiquement uni forme sur toute sa section transversale.
Dans une cathode particulière, par exemple, ayant un diamètre maximum de 0,375 cm, une épais seur de paroi de 0,0125 cm, et un orifice avec un diamètre de 0,1 cm, le faisceau produit était nettement creux, le rapport DIL étant égal à 8 dans ce cas. Le diamètre intérieur du fais ceau creux était environ 0,8 fois le diamètre extérieur.
La fig. 3 représente, à échelle agrandie, une partie de la cathode de la fig. 2 et montre une partie de la paroi cylindrique 12, la cou che émissive 16 et les paramètres D et L.
La fig. 4 est la caractéristique tension- courant de l'émission électronique obtenue de la cathode creuse construite selon les fig. 1, 2 et 3, fonctionnant aux températures de 700- C, 750- C,' 800o C et 8500 C respective ment. Dans le fonctionnement à 7000 C, qui est bien au-dessous des températures usuelles des cathodes à oxydes de type usuel, une émis sion comprise entre 1 et 2 Ampères par cm2 d'orifice-est facilement obtenue.
Si la cathode fonctionne entre les mêmes limites de tempé ratures que celles des cathodes à oxydes de type usuel, une émission de 4 à 5 Ampères par cm2 peut être obtenue de manière conti nue de la cathode. Cette dernière émission constitue une amélioration de 8 à 10 fois par rapport à la caractéristique d'émission des ca thodes de type connu.
Il y a lieu de remarquer, particulièrement, en examinant la fig. 4, que la caractéristique tension-courant, notamment pour les plus hau tes températures de fonctionnement,, devient presque linéaire entre de vastes limites du po tentiel. Pour le fonctionnement à 8500 C, par exemple, la caractéristique comprend deux par ties pratiquement linéaires, à pentes légèrement différentes, une de ces parties étant comprise entre 0 et 200 Volts environ et l'autre s'éten dant au-dessus de 200 Volts.
Outre l'émission élevée obtenue, la per- véance, telle qu'elle a été définie précédem ment, des cathodes creuses représentées est de l'ordre de 10 à 100.10-6, tandis que la per véance des cathodes à oxydes généralement employées est de 1 à 2.10-E, tout au plus.
La pervéance des cathodes décrites ci-dessus, pour un potentiel d'accélération compris entre 0 et 5 Volts, atteint la valeur élevée de 100.10-6, tandis que pour ces basses valeurs de la ten sion d'accélération les cathodes de type connu ont une valeur de pervéance extrêmement basse, par exemple 0,1.10-s. La caractéristi que de haute pervéance de la cathode décrite ci-dessus pour les basses valeurs du potentiel d'accélération étend 1a_ gamme utile des catho des pour permettre le fonctionnement à basse tension des cathodes.
Dans la gamme usuelle des potentiels anodiques de 60 à 500 Volts, ces cathodes maintiennent une pervéance de 10 .10-s et même plus.
Dans chacune des formes d'exécution dé crites ci-dessus, les parois de l'orifice sont pa rallèles à l'axe du faisceau d'électrons. Sur les fig. 5 et 6, l'orifice d'émission électronique n'a pas les parois parallèles. Dans une forme d'exécution, les parois de l'orifice divergent vers l'extérieur du cylindre cathodique et, dans une autre forme d'exécution, elles convergent vers l'extérieur du cylindre cathodique. La configuration de l'orifice cathodique peut être utilisée pour accroître l'action des moyens. de contrôle électrostatique du faisceau, après que celui-ci a quitté l'orifice de la cathode.
Il n'est donc pas nécessaire d'avoir une électrode for matrice du faisceau dans la cathode creuse, car cette dernière produit déjà un faisceau électronique à haute intensité bien formé.
A la fig. 5, le cylindre 13 comprend une cavité intérieure 15 entourée par les parois du cylindre qui sont revêtues d'une couche 16 de substance émissive. Une ouverture tronconi que met en communication la cavité et l'exté rieur de la cathode selon un angle divergent par rapport à la direction de propagation du faisceau. L'ouverture divergente 24 permet que le faisceau soit focalisé ou convergé. A la fig. 6 le cylindre 13, comprenant la cavité 15 et le revêtement émissif 16, présente une ouverture 25 qui est convergente par rapport à la direc tion de propagation du faisceau électronique.
Dans cette forme d'exécution, l'ouverture 25 facilite la focalisation ou la divergence du faisceau électronique.
A la fig. 7, un cylindre 13 délimite une cavité 15 ayant une couche émissive 16 sur les parois intérieures et une ouverture 26 de forme rectangulaire. Dans un cas particulier, la plus grande dimension A de l'ouverture 26 (fig. 8) était de 0,625 cm et la plus petite dimension B était de 0,175 cm, tandis que l'épaisseur du cylindre 13 était de l'ordre de 0,0125 cm. Lorsqu'elle est chauffée, cette cathode produit un faisceau électronique de section rectangu laire. De même que pour le cas d'une cathode à ouverture circulaire, la configuration du fais ceau électronique émis par une ouverture rec tangulaire dépénd du rapport entre ses dimen sions.
Dans ce cas, lorsque la plus petite di mension<I>B</I> est supérieure à la longueur<I>L</I> de l'ouverture, il se produit un faisceau creux rec tangulaire. Si, au contraire, la plus petite di mension B est inférieure à la longueur L, le faisceau rectangulaire est plein. La relation peut s'exprimer de la façon suivante : si BIL <I>> 1,</I> le faisceau rectangulaire obtenu est creux ; si BIL <I> < </I> 1, le faisceau rectangulaire obtenu est plein. La plus grande dimension B' de l'ouverture 26 détermine la plus grande di mension du faisceau électronique rectangulaire, qu'il soit creux ou plein.
Dans chacune des formes d'exécution dé crites précédemment, toute la surface du cy lindre cathodique entourant la cavité est re vêtue d'une substance émissive. Sur la fig. 8 est représentée une coupe transversale d'une forme de réalisation semblable à celle de la fig. 7. Le cylindre 13 délimitant la cavité 15. est revêtu à l'intérieur d'une couche 16 de substance émissive, et présente une ouverture rectangulaire 26.
La couche émissive 16, qui recouvre l'extrémité fermée et la paroi inté rieure cylindrique du cylindre 13, se prolonge en formant deux bandes à travers la paroi ou verte du cylindre 13, perpendiculairement à la plus grande dimension de l'ouverture 26, mais de largeur inférieure à cette dimension, de ma nière que la surface intérieure adjacente aux extrémités de l'ouverture 26 soit libre de revê tement émissif. Il s'ensuit que le rapport B/L est inférieur à 1 et que le faisceau électronique est plein,
tandis que pour un rapport BIL su périeur à 1 il se, produit une paire de feuillets plans d'électrons, séparés entre eux. Chaque feuillet d'électrons est émis le long de chacun des plus grands côtés de l'ouverture 26.
La fig. 9 illustre une autre forme d'exécu tion de la cathode. Dans ce cas, le cylindre 13 délimite la cavité 15, revêtue intérieurement d'une couche 16 de substance émissive, et comprenant l'ouverture 27. Le cylindre 13 comprend en outre une électrode-écran 30 montée à l'intérieur du cylindre 13, en face dé l'ouverture 27. L'électrode 30 est supportée à l'intérieur du cylindre 13 par un anneau 31 en matière isolante, par exemple en céramique, et pour servir à différentes fonctions, entre au tres à fonctionner comme une grille de com mande avec des moyens appropriés pour l'en trée du signal.
L'électrode 30 est dans une position avantageuse pour le contrôle des fais ceaux d'électrons passant à travers l'ouverture 27. Dans la forme d'exécution illustrée à la fig. 9, la cathode, formée par le cylindre 13, par le revêtement émissif 16, par l'ouverture 27 et par l'électrode de commande 30, et as sociée à une anode, comprend les électrodes voulues pour une triode d'un tube à vide.
L'électrode 30 peut fonctionner comme une grille de commande pour un signal modulé de type usuel, et dans ce cas elle peut être pola risée négativement par rapport au cylindre en tourant la cathode. L'électrode 30 peut être polarisée au moyen d'un conducteur isolé, non représenté, passant à travers la paroi du cy lindre 13.
La fig. 10 représente une autre forme d'exécution de l'électrode auxiliaire, disposée à l'intérieur du cylindre creux cathodique. Dans cette forme d'exécution, le cylindre 13, délimitant la cavité 15 entourée par la surface intérieure du cylindre 13 et par la couche 16 de substance émissive, comprend l'ouverture 28 et renferme également une tige 33 suppor tée coaxialement à l'intérieur -du cylindre 13 par le support isolant 34. Un élément chauf fant 35 comprend une série de spires de fil résistant enroulé autour du cylindre 13.
Un écran contre la chaleur, non représenté, peut être formé par un tube enveloppant le cylin dre 13 et l'élément chauffant 35. La tige 33 se termine par une pointe à l'intérieur du cy lindre 13, au voisinage de l'ouverture 28. Des électrodes auxiliaires ayant la forme indiquée à la fig. 10 peuvent être employées de la même manière que celle indiquée à la fig. 9, c'est-à- dire comme une grille de commande semblable à l'écran de la fig. 9, ou bien elles peuvent être employées pour augmenter l'intensité élec tronique autour de l'orifice.
Dans ce dernier cas, elles sont maintenues à un potentiel légè rement positif par rapport à la cathode; de manière que les électrons soient attirés vers l'électrode 33 et, de là, vers l'anode.
La fig. 11 montre un dispositif à décharge électronique semblable à celui de la fig. 1. Ce dispositif comprend une enveloppe à vide 110 qui contient une anode 11"1 et une cathode in diquée d'une manière générale par 112. La cathode 1-12 est constituée d'un cylindre creux 113 qui, dans le cas représenté, comprend une cavité sphérique et un orifice 114, en regard de l'anode 111. L'intérieur du cylindre 113, la cavité 119 et la couche de substance émissive 120 sont clairement visibles sur la fig. 12, qui est une coupe longitudinale du cylindre 113.
La cou che 120 de substance émissive couvre prati quement toute la surface sphérique interne du cylindre 113. L'émission d'électrons à travers l'orifice 114 forme un flux électronique à haute intensité, de l'ordre de 1 à 5 A par cm2 et même plus, selon la température à laquelle la cathode fonctionne.
Des densités du fais ceau électronique supérieures à 1 A par cm2 sont obtenues, avec les cathodes décrites, à une température de l'ordre de 7500 C, c'est-à- dire à une température inférieure d'au moins 5.0o aux températures de fonctionnement des cathodes à oxydes de type usuel. Naturelle ment l'émission électronique augmente<B>*</B> avec la température de la cathode et l'on peut obtenir une émission fortement accrue en faisant fonc tionner la cathode à une température d'envi ron 900() C.
Les fig. 13 et 13A représentent des dia grammes montrant d'autres courbes caractéris tiques des cathodes décrites précédemment. Ces diagrammes montrent la densité du faisceau électronique d'une cathode creuse sphérique ayant un diamètre de 0,63 cm et un orifice cir culaire de 0,025 cm de diamètre. La variation du courant anodique Il, par rapport au poten tiel anodique<B>El,</B> est montrée par la courbe de la fig. 13, dans le cas où la cathode fonctionne à une température comprise entre 800 et 850o C.
Comme ordonnées du diagramme de la fig. 13, on a porté les puissances 2/3 des va leurs du courant de plaque IF" de sorte que la pervéance, qui est définie par le rapport du courant anodique h, en Ampères à la puissance 3/2 de la tension anodique en Volts, est indi quée par la pente des parties linéaires des courbes caractéristiques de l'émission.
La courbe caractéristique d'émission de la cathode creuse sphérique comprend pratiquement trois parties linéaires à pentes décroissantes. La première région d'émission, indiquée sur la figure par la partie I, a la plus grande pente, correspondant à une pervéance de l'ordre de 100.10-E. Cette région 1 est représentée à une échelle agrandie sur la fig. 13A, qui montre la caractéristique de basse tension à une échelle plus grande.
A la suite de cette région initiale, qui comprend des potentiels anodiques jusqu'à l'ordre de 10 Volts, une seconde ré gion linéaire de la courbe d'émission est indi quée par 11. La pente de cette seconde région est moindre que celle de la région initiale, mais correspond à une pervéance et à un cou rant anodique bien supérieurs aux valeurs dé terminées par la loi de Child. Une troisième région<I>III</I> s'étend vers le haut, et sa pente, in férieure à celle -de la région<I>II,</I> est comprise à partir des potentiels anodiques de l'ordre de 150 Volts.
La ligne pointillée de la fig. 13 montre la courbe caractéristique d'émission d'une ca thode à revêtement extérieur de type connu; donnant une émission électronique continue. La courbe est caractérisée par une partie li néaire s'étendant vers le haut jusqu'à un coude supérieur - correspondant à une émission de l'ordre de 2 à 3 A/cm2, ou moins encore. La partie linéaire de cette courbe indique le fonc tionnement limité à charge spatiale de la ca thode jusqu'au coude supérieur indiqué par S, où a lieu la saturation, c'est-à-dire que l'anode reçoit tous les électrons émis par la cathode.
Au delà du point S, des accroissements du po tentiel anodique n'ont presque plus d'effet sur l'émission de la cathode, ainsi qu'il résulte de la pente de la courbe, presque parallèle à l'axe des tensions. Dans la région du point de sa turation S, une cathode à oxydes de type usuel devient généralement inactive, probablement à cause des émissions de l'anode, et l'émission tombe alors rapidement. Le point où ce phé nomène a lieu dépend de plusieurs facteurs en core inconnus, ce qui est indiqué sur la fig. 13 par des flèches dirigées vers l'axe des tensions.
En comparant les courbes d'émission de la cathode creuse sphérique et de la. cathode à oxydes de type usuel, on peut noter d'impor tantes différences. Tout d'abord, l'émission d'une cathode creuse sphérique est de beau coup supérieure à celle d'une cathode usuelle, pour toutes les valeurs du potentiel anodique. Ensuite, entre les limites de potentiel de fonc tionnement normal, ces valeurs diffèrent d'un facteur qui est égal à 2, ou même plus. Dans chacune des parties linéaires de la courbe d'émission de la cathode creuse sphérique, cette courbe ne présente aucun point de brus que saturation, mais au contraire la troisième région linéaire se raccorde à la deuxième région par une courbe à grand rayon.
Une autre dif férence importante e8tre les deux courbes d'émission est que,-dans le cas de la cathode creuse sphérique, il n'y a pas de région d'inacti vité produisant une chute de l'émission. Lors que le potentiel anodique est augmenté, dans la troisième région, jusqu'à une valeur de 1400 Volts et même plus, le courant anodique aug mente uniformément. Ainsi, par exemple, dans un cas particulier, le potentiel anodique a été porté jusqu'à 3000 Volts sans provoquer l'in activité de la cathode.
La remarquable courbe d'émission de la cathode creuse sphérique est due, croit-on, à une perturbation de la relation de la charge spatiale normale entre l'anode et la cathode à oxydes entièrement exposé. Dans la région Ï, où le potentiel anodique varie de 0 à<B>10</B> V, on suppose qu'il existe une région de charge spa tiale entre l'orifice de la cathode creuse sphé rique et l'anode et qu'il existe. également une région spatiale à l'intérieur de la cavité sphé rique de la cathode.
Les électrons émis par les parties du revêtement au voisinage de l'orifice sont en présence d'une composante du champ d'accélération qui tend à les éloigner de l'ori fice, de sorte qu'ils ne peuvent pas s'ajouter à la charge spatiale à l'intérieur de l'électrode. Le renouvellement de cette charge lorsque le courant est tout d'abord extrait doit alors être exécuté par la partie postérieure de la cathode.
Les électrons sortant de l'orifice, et qui ont été émis à la partie postérieure, doivent appartenir à l'extrémité à haute vitesse de la distribution de Maxwell et, par conséquent, l'émission d'électrons est bien supérieure à celle détermi née par la loi de Child, qui suppose une vi tesse initiale nulle des électrons.
Dans la région 11 de potentiel anodique compris entre 10 et 150 Volts des parties formant la seconde par- de linéaire de la courbe, on suppose que le champ d'accélération de l'anode pénètre dans la cathode à travers l'orifice, en provoquant l'attraction vers l'anode des électrons ayant une basse vitesse initiale et augmentant l'émis sion électronique à une pervéance légèrement inférieure.
Dans la partie linéaire<I>111</I> de la courbe caractéristique d'émission, la pénétra tion du champ d'accélération dans la cathode est plus sensible, et des parties de la surface d'émission qui entourent l'orifice fonctionnent, croit-on, à température limitée, de manière à présenter ùne surface d'émission libre de charge spatiale. Afin d'étendre les possibilités de pleine émission de la cathode creuse sphéri que, notamment dans la troisième région li néaire, il est avantageux que les parties de la cavité entourant chaque orifice soient revêtues de substance émissive.
Un bombardement de la couche émissive par les particules émises par l'anode est rendu pratiquement impossible dans la cathode creuse sphérique, puisque seulement une ré gion relativement petite de la couche émissive est exposée à l'anode. Grâce à la configuration creuse et sphérique de la cathode, chaque ion positif libéré à l'intérieur de la cavité, par exemple par des impuretés de la couche émis- sive, est maintenu dans la cavité et tend à neutraliser la charge spatiale à l'intérieur de la cathode, augmentant ainsi l'émission électro- -nique. De cette manière, le résultat nuisible,
c'est-à-dire l'inactivité de la cathode provo quée par les émissions anodiques comprenant les ions positifs, est pratiquement éliminé, tan dis que les ions positifs libérés à l'intérieur de la cathode sont utilisés pour améliorer l'émis sion électronique.
L'explication donnée ci-dessus des phéno mènes qui régissent le fonctionnement de la cathode creuse sphérique a tout simplement un caractère indicatif.
Dans une autre forme d'exécution, repré sentée à la fig. 14, la cathode creuse sphéri que comprend le cylindre 113, qui entoure une cavité sphérique 119. Un élément chauffant 128 entoure le. cylindre 113. La surface à l'in térieur du cylindre délimitant la cavité est revêtue d'une couche 120 de substance émis- sive. Deux orifices, 114 et 124, diamétrale ment opposés sur le cylindre, mettent en com munication les parties opposées de la cavité et l'extérieur du cylindre 113. Extérieurement aux ouvertures 114 et -124 sont disposées les anodes 111 et 121, respectivement.
Les ano des 111 et 121 sont individuellement polari sées par rapport au cylindre, et chacune d'el les attire un faisceau électronique de son ou verture respective. L'intensité du faisceau élec tronique sortant de l'ouverture 114 dépend. de la tension d'accélération appliquée à l'anode 111. De façon analogue, l'intensité du faisceau . électronique sortant de l'ouverture 124 dépend de la tension d'accélération appliquée à l'anode. 121. Le faisceau électronique sortant de chaque ouverture est indépendant de la ten sion ou des variations de tension de l'anode éloignée.
De cette façon, on peut obtenir avec une seule cathode une paire de faisceaux élec troniques à haute intensité et contrôlables in dépendamment.
En se rapportant maintenant aux fig. 15 et 16, qui représentent une autre forme d'exé cution, un corps creux 150 présente une ou verture centrale 151. L'intérieur du corps 150 est une cavité toroïdale 152 à section circulaire représentée plus clairement à la fig. 16. La cavité 152 est limitée par une surface du corps 150, sur laquelle une couche 153 de substance émissive a été appliquée. Un orifice annulaire 154 met en communication la cavité 152 et l'ouverture 151. Un élément chauffant 155, comprenant un certain nombre de.spires en roulées autour de la paroi cylindrique du corps 150, est entouré par un écran 156.
L'anode 157 est située au voisinage d'une face du corps 150, dans une position appropriée pour recevoir les électrons émis par l'ouverture 151. Dans cette forme d'exécution, une surface émissive très large est située à l'intérieur du corps 150 de la cathode. La surface toroïdale émissive 153 est presque complètement pro- . tégée contre les émissions nuisibles de l'anode 157. En effet, aucune de ses parties n'est ex posée directement vers l'anode. Les électrons émis sous l'influence du champ accélérateur de l'anode sont facilement formés en un faisceau à travers l'ouverture 151.
Des particules émi ses par l'anode, notamment les ions positifs ayant une masse très grande par rapport à celle des électrons, ne peuvent pratiquement pas trouver un chemin pour arriver à la cou che émissive à l'intérieur de la cathode. Au contraire, elles heurtent contre la surface émis= sive extérieure du corps 150 ou passent com plètement par ouverture 151 ; dans un cas comme dans l'autre, il n'y a aucun effet nuisi ble sur la couche émissive 153.
Les fig. 17 et 18 illustrent une autre forme d'exécution de la cathode creuse sphérique à forme toroïdale. La cathode comprend un corps creux 170 qui délimite une cavité to- roïdale 171, dont la surface est recouverte d'une couche 172 de substance émissive. La cavité 171 est reliée à la surface extérieure du corps 170 par l'orifice 173 pratiqué sur la face 174 du corps 170. Un élément chauffant 175, formé par une série de spires de fil résistant, est enroulé autour du corps 170 et est entouré par l'écran 176.
Cette forme d'exécution de la cathode creuse produit un faisceau électronique annu laire qui est avantageusement utilisé dans des dispositifs à vide poussé, notamment dans les tubes à onde progressive à double faisceau électronique. La surface émissive du corps creux a l'avantage d'être pratiquement proté gée contre l'action nuisible des ions positifs, tout en fournissant une haute émission élec tronique en forme annulaire. Si l'on désire pro duire une paire de faisceaux électroniques an nulaires coaxiaux, les paramètres de l'orifice 173 doivent être choisis de manière que la dis tance entre les parois délimitant l'orifice 173 soit supérieure à leur longueur. Chaque faisceau électronique est adjacent.
à une des parois de l'orifice, et les deux fais ceaux sont séparés par une zone relativement dépourvue d'électrons. Un seul faisceau creux est obtenu avec un seul orifice 173 lorsque la distance entre les parois de l'orifice est plus petite que sa longueur. La relation entre les paramètres de l'orifice pour obtenir des fais- ceaux électroniques à haute densité a été déjà précisée plus haut.
La fig. 19 montre une autre forme d'exé cution de la cathode qui est semblable à celle de la fig. 12. Dans ce cas, le cylindre 113 dé- termine la cavité sphérique 119, dont les pa rois sont recouvertes d'une couche 120 de subs tance émissive, et qui est en communication avec l'extérieur au moyen de l'orifice 114. A l'intérieur de la cavité sphérique 119 est mon tée une électrode auxiliaire 130, formée par une grille et supportée par un anneau isolant 131.
Des moyens de polarisation appropriés, indiqués sur la fig. 19 pour l'électrode 130, sont constitués par un conducteur isolé qui tra verse la paroi du cylindre 113 au voisinage de l'anneau 131: Cette forme d'exécution permet d'obtenir l'émission électronique de la cathode sphérique creuse en général, et, au moyen de l'électrode 130 fonctionnant comme grille de commande, elle permet de moduler d'une ma nière facile le faisceau électronique.
La fig. 20 illustre une autre forme d'exécution de l'élec trode auxiliaire. Le cylindre 113 délimite la cavité 119, recouverte d'une couche 120 de substance émissive, et présente une ouverture 114 qui met en communication la cavité 119 avec sa surface extérieure. Une tige métalli que 135 supportée par un manchon isolant 136 est disposée dans la cavité 119 de manière qu'une de ses extrémités arrive au voisinage de l'ouverture 114.
La tige 135 peut être uti lisée de la même manière que la grille de la fig. 19, c'est-à-dire comme une électrode de modulation à l'intérieur de la cathode, ou bien elle peut être employée comme une électrode accélératrice, maintenue à un potentiel légère ment positif par rapport au cylindre 113. La tige 135; dans ce dernier cas, accroît l'émis sion du complexe des électrodes en-attirant les électrons dans. une position proche de l'ouver ture 114; où le champ électrostatique établi par l'électrode accélératrice peut avoir un plus grand effet.
La tige 135, si elle est recouverte d'une couche de substance susceptible démet tre des électrons secondaires, telle que l'oxyde de barium, est soumise au bombardement des électrons primaires émis par la couche 120 grâce à sa position appropriée au voisinage de toute la couche émissive sphérique. Les élec trons primaires émis par la tige 135 sortent tous par l'ouverture 114 et constituent un fais ceau électronique à haute intensité.
Sur la fig. 21, on a représenté un dispositif à décharge électronique comprenant une enve loppe 210 à vide poussé, qui contient un corps creux 211 comprenant la cavité 212. La sur face intérieure du corps 211 délimitant la ca vité 212 est revêtue d'une couche 213 de subs tance émissive. Un certain nombre d'orifices, ou ouvertures, 216, 217 et 218 mettent en communication la cavité 212 avec l'extérieur du corps 211. Un élément chauffant 220 com prend une série de spires de fil résistant en roulées autour du corps 211, et un écran con tre la chaleur 221 entoure le corps 211 et l'élément chauffant 220.
Une série d'anodes électriquement ind6pen- dantes 226, 227 et 228 sont situées, chacune, en regard d'un des orifices 216, 217 ou 218 du corps 211. Pour simplifier la figure, les ou vertures 216, 217 et 218 ont été représentées sur une seule ligne, de même que les anodes 226, 227 et 228. Il convient toutefois de re marquer que ces ouvertures, ainsi que les ano des respectives, peuvent être situées d'une ma nière différente à l'intérieur de l'enveloppe 210.
Chacune des anodes 226, 227 et 228 est située de manière à pouvoir recevoir le fais ceau électronique à haute intensité sortant de son ouverture respective et traversant l'espace entre l'ouverture et l'anode, sans influencer les autres faisceaux électroniques ni les . autres anodes.
La fi g. 22, qui est un plan de la cathode de la fig. 21, montre la face supérieure du corps 211 avec les orifices 216, 217 et 218. Des parties du revêtement 213 sont visibles à travers chacune des ouvertures et les positions des anodes 226, 227 et 228 sont indiquées par les lignes en pointillé entourant les ouvertures.
Ainsi qu'il a été décrit précédemment, des faisceaux électroniques continus à hàute inten sité, de l'ordre de 1 à 5 A/cm2, sont produits par les cathodes creuses sur lesquelles la cou che émissive est disposée sur la surface déli- mitant une cavité interne, tandis que, dans les cathodes à oxyde de type usuel, l'émission con tinue maximum est approximativement de 500 mA. Les cathodes représentées sont sus ceptibles de produire des émissions élevées.
Par exemple, dans un cylindre creux, tel que celui de la fig. 22, comprenant trois orifices ayant un diamètre de 0,050 cm, on peut obtenir, de chaque orifice, un faisceau électronique de 1 A/cm2, avec une tension de 120 V appliquée à chaque anode. L'émission totale de cette ca thode est par conséquent de 3 A/cm2, ce qui représente un accroissement de 6 fois sur l'émission des cathodes à oxydes de type usuel. L'émission de chaque orifice est augmentée selon un facteur égal à 2 par rapport à l'émis sion des cathodes à oxydes de type usuel.
La fig. 23 représente le diagramme de l'émission électronique des trois ouvertures du dispositif de la fig. 21, lorsqu'un même poten tiel variable est appliqué aux anodes 226, 227 et 228. Les courbes caractéristiques de l'émis sion sont presque superposées. Les différences visibles entre les courbes doivent être attri buées aux variations des dimensions des orifi ces, aux différences des potentiels anodiques et aux erreurs de mesure du courant anodique.
A part la grande intensité obtenue par cette forme de cathode creuse, l'intensité du faisceau de chaque orifice est pratiquement indépen dante du potentiel ou des variations de poten tiel des anodes associées à chacun des autres orifices. Cette particularité est mise en évi dence par le diagramme de la fig. 24, où un potentiel constant de 50 Volts a été maintenu sur les anodes 226 et 227, tandis que le poten tiel de l'anode 228 était porté de 0 à 200 Volts. L'émission de l'orifice 218, indiquée par IU,3, a varié, dans cette gamme, selon un fac teur 15, indiquant une caractéristique d'émis sion représentée à la fig. 23.
L'émission des orifices 216 et 217, Iv, et 11,2 respectivement, soumis au potentiel constant de leurs anodes relatives, est restée pratiquement constante à une valeur d'environ 0,5. A/cm2. L'émission des orifices 216 et 217 est complètement in dépendante de l'émission de l'orifice 218 et du champ établi par l'anode 228. Grâce à la disposition décrite, une seule cathode creuse. peut être employée pour pro duire de nombreux faisceaux électroniques à haute intensité, dont chacun peut être con trôlé indépendamment des autres, et sur cha que faisceau l'action des faisceaux adjacents est négligeable sur son émission.
La cathode dé crite peut être utilisée pour remplacer les nom breuses cathodes individuelles dans les dispo sitifs à faisceaux électroniques multiples, et permet d'obtenir une simplification notable dans la construction et une réduction de la puis sance de chauffage nécessaire, ainsi qu'une émission accrue -de la cathode.
La fig. 25 représente une autre forme d'exécution comprenant un tube cylindrique 251, fermé aux extrémités. La surface inté rieure du corps 251 détermine une cavité 252, et cette surface est revêtue d'une couche 253 de substance émissive. Sur les parois cylindri- ques du corps 251 sont pratiquées des ouver tures 254. Une anode tubulaire 255 enveloppe le corps 251 et est située de manière à pou voir recevoir les électrons émis du tube 251 par les ouvertures 254. Un élément de chauf fage 256 qui, dans l'exemple représenté, a la forme d'une épingle à cheveux, s'étend à tra vers l'intérieur du tube 251 et est isolé de ce tube nu moyen des manchons 257.
La cathode présente une grande surface émissive délimi tant une cavité à l'intérieur du corps creux. Des ouvertures permettent la sortie des élec trons émis par la couche 252. Celle-ci est presque complètement protégée contre le bom bardement des ions positifs émis par l'anode.
La forme d'exécution représentée permet d'obtenir une émission électronique à haute intensité dans une forme qui est particulière ment apte à être employée dans les dispositifs électroniques cylindriques ou tubulaires aplatis, et notamment dans les tubes à vide de puis sance.
En se rapportant maintenant à la fig. 26, la forme d'exécution représentée comprend un corps hémisphérique 261 délimitant une cavité 262, dont la surface interne est recouverte d'une couche 263 de substance émissive. Le corps 261 comprend une paroi plane dans la- quelle ont été pratiquées plusieurs ouvertures, ou orifices, 264. Une anode 265 est montée à une certaine distance de la paroi plane du corps 261, "et est située de manière à pouvoir recevoir l'émission électronique sortant des orifices 264. Dans cette forme d'exécution, la plus grande partie de la couche émissive est disposée sur une surface hémisphérique déli mitant la cavité dans le corps 261.
L'anode plane peut être disposée à une distance uni forme des orifices pratiqués dans le corps creux 261, malgré la configuration sphérique de la plus grande partie de la couche 263 de subs tance émissive. La cathode creuse représen- _ tée à la fig. 27 comprend plusieurs orifices émetteurs d'électrons qui sont dirigés sur une anode, et une électrode de modulation inter posée entre les orifices et l'anode. Dans ce cas, le corps 271 délimite une cavité 272 dont la surface intérieure est recouverte d'une couche 273 de substance émissive. Une série d'ouver tures 274 est pratiquée sur une face du corps 271.
En regard des ouvertures 274 est dispo sée l'anode 276, et entre les orifices 274 et l'anode 276 est montée l'électrode de modula tion 275 qui, par exemple; peut comprendre une grille, ou bien, comme indiqué sur la fi gure, une plaque qui est perforée en corres pondance des orifices 274. L'électrode de mo dulation est située de manière que les ouver tures qu'elle présente correspondent aux orifices 274 et, par conséquent, le faisceau électronique émis par les orifices 274 n'est pas dispersé d'une manière appréciable en heurtant contre l'électrode de modulation 275.
Ainsi qu'il a été déjà exposé précédem ment, la configuration d'un faisceau électroni que émis d'une cathode creuse peut être con trôlée, et les dimensions du faisceau dépendent pratiquement de celles de l'orifice. Dans de telles conditions, les ouvertures pratiquées dans l'électrode de modulation 275 peuvent avoir les mêmes dimensions que celles des ori fices 274, afin de contrôler le faisceau électro nique. Puisque dans la forme d'exéèution re présentée à la fig. 27 une seule anode et une seule électrode de modulation sont prévues, le courant anodique dépend de l'émission totale obtenue de toutes les ouvertures 274 et de l'ef fet de modulation de l'électrode 275.
Pour ob- tenir plusieurs faisceaux électroniques indépen damment contrôlables, il suffit de prévoir une anode individuelle et une électrode de modu lation pour chaque orifice.