La présente invention est relative à un procédé de production d'électrons et un appareil pour la mise en oeuvre du procédé. Le procédé de production d'électrons use des cathodes froides à émission de champ à courant élevé et soumises à des impulsions.
Dans de nombreuses applications d'appareils producteurs d'électrons à impulsions, le degré de vide relativement bas utilisé et/ou la relativement longue période entre les applications d'impulsions successives permet la régénération des couches de plasma électrons-ions propres qui servent de source d'électrons pour une émission de courant intense. On entend par couche de plasma propre la couche de plasma d'électrons-ions existant normalement aux alentours d'une cathode froide à émission au cours de l'opération envisagée. Sous l'action de forts champs électriques, ces couches de plasma entourent normalement les surfaces de cathodes froides à émission de champ sous courant élevé utilisées dans de tels appareils.
Lorsque, toutefois, des conditions de vide extrêmement poussées sont établies et/ou que les impulsions sont appliquées à une vitesse de répétition élevée, des problèmes surviennent à cause de l'exposition de la matière de cathode à une destruction au cours des applications ultérieures d'impulsions qui suivent l'enlèvement de ces couches de plasma électrons-ions propres au cours des applications d'impulsions antérieures. Des recherches récentes dans le comportement des cathodes à plasma froides (température normale) dans de telles applications ont en effet révélé que des cadences d'érosions superficielles peuvent être commandées de manière sensible par la vitesse de remplacement de la couche de gaz absorbée sur la surface de cathode conductrice.
Dans le cas de conditions de vide poussé, où les périodes d'absorption de couche monomoléculaire sont grandes par comparaison avec la période entre les impulsions successives, ces cadences d'érosion sont accrues, tandis que ces cadences sont nettement réduites lorsque la pression du gaz ambiant est augmentée jusqu'à un point où les périodes d'absorption de couche monomoléculaire deviennent comparables avec les périodes entre les impulsions successives.
Le procédé est caractérisé par le fait qu'il consiste à appliquer des impulsions de tension entre une anode et une cathode froide à émission de champ sous courant intense, dans une mesure suffisante pour obtenir des impulsions de courant d'émission élevé directement à partir de la cathode froide, à soumettre la surface extérieure de la cathode faisant face à l'anode à un enlèvement de la couche de plasma d'électronsions propre au niveau de cette surface par suite de l'application des impulsions et à créer une couche de remplacement de plasma continue sur cette surface de cathode extérieure, en fournissant continuellement à cette surface un gaz adsorbable sur cette surface.
L'appareil pour la mise en oeuvre du procédé est caractérisé en ce qu'il comprend une anode et une cathode froide à émission de champ sous courant intense, des moyens destinés à appliquer des impulsions de tension entre l'anode et la cathode dans une mesure suffisante pour obtenir des impulsions de courant d'émission élevé directement à partir de la cathode froide, la surface extérieure de la cathode faisant face à l'anode étant soumise à un enlèvement de la couche de plasma d'électrons-ions propre au niveau de cette surface par suite de l'application des impulsions, et des moyens pour créer une couche de remplacement de plasma continue sur cette surface de cathode extérieure, en fournissant continuellement à cette surface un gaz adsorbable sur cette surface.
Les particularités de l'invention ressortiront de la descrip
tion ci-après, donnée à titre d'exemple non limitatif et en se
référant aux dessins annexés, dans lesquels:
La fig. 1 est une vue en coupe longitudinale et un schéma de circuit illustrant une forme de réalisation préférée de l'invention.
Les fig. 2 et 3 sont des vues en coupe longitudinale de variantes.
En se référant à la fig. 1, un appareil à canon à électrons dans une forme de réalisation préférée comprend une tige de cathode imperméable 1, par exemple en acier inoxydable ou analogue, s'étendant vers le bas à partir d'un capuchon métallique conducteur 1', et dotée d'une surface terminale ou bout perméable 1" disposé de manière espacée à l'opposé d'une électrode d'anode 3 qui peut prendre toute forme classique.
Elle est représentée sous la forme d'une mince fenêtre de faisceau électronique anodique 3 à travers laquelle des électrons peuvent être projetés grâce à l'application d'impulsions de tensions successives entre la cathode 1 et l'anode 3, mais il peut aussi s'agir d'une cible opaque aux électrons telle qu'utilisée pour la production de rayons X ou de toute autre forme bien connue.
Le circuit d'application des impulsions est représenté schématiquement sous la' forme d'un banc de condensateurs C pouvant être chargés par l'intermédiaire d'une impédance R à partir d'une source d'alimentation de charge appropriée S possédant une borne à potentiel - négatif - VO. Ce potentiel négatif est appliqué, lors de la fermeture d'un commutateur
Sw, au capuchon de cathode 1', la borne opposée ou de gauche du ou des condensateurs C étant représentée connectée à une borne de masse ou d'autre potentiel de référence G ainsi qu'à la structure d'anode 3.
L'espace ou intervalle d'accélération 2 entre les surfaces actives opposées de la cathode 1-1" et de l'anode 3 est maintenu sous vide grâce à une enveloppe quelconque bien connue 4, de qualité métallique diélectrique et mise sous vide, qui est représentée schématiquement comme enfermant l'espace contenant la structure de cathode 1-1",
I'intervalle 2 et la surface supérieure de l'anode 3. L'enveloppe 4 est à son tour enfermée dans une ambiance isolante sous haute pression 6, telle qu'un mélange CO2-N2 ou de l'huile.
C'est dans la région de contrainte élevée 1" de la cathode 1 à l'intérieur de l'enveloppe sous vide que l'application d'impulsions peut avoir pour résultat l'arrachement mentionné précédemment de la couche de plasma d'ions protecteurs et c'est dans ces régions exposées que la présente invention envisage le remplacement de couches de gaz protecteur fraîches ou absorbées.
Suivant la forme de réalisation de la fig. 1, ceci est réalisé en construisant la partie terminale 1 de la cathode 1 sous la forme d'un agrégat de poudre frittée poreux pour le gaz et à travers les pores duquel un gaz de remplacement est fourni à partir d'une admission tubulaire diélectrique 5, à travers le capuchon 1' et une ouverture axiale centrale dans la tige 1 de la cathode. Le gaz se diffusera à travers la partie terminale 1 de la cathode comme indiqué par les flèches et offrira un rétablissement continu de la couche de gaz absorbée et des couches de remplacement de plasma associées le long de la surface localisée 1 à l'opposé de l'anode 3, en permettant ainsi une application d'impulsions continue sans exposer la surface de cathode en 1" à une destruction ou à un endommagement.
Un exemple d'un agrégat en poudre poreux approprié pour la partie terminale 1" est une matrice de tungstène. Si, par exemple, on désire maintenir une zone de la région de cathode 1 de l'ordre d'un dixième de centimètre carré continuellement couverte et protégée par un gaz qui peut être aisément absorbé sur la surface 1" (comme par exemple de l'hydrogène qui possède une concentration en couche monomoléculaire de 1,5 x 1015 cm-2), malgré une vitesse de répétition relativement rapide des impulsions de l'ordre, par exemple, d'une centaine d'impulsions par seconde, plus ou moins, un débit de gaz de 5 X 10-3 centimètre cube par seconde seulement sera nécessaire. Ceci constitue une charge de pompage négligeable.
Le gaz peut être fourni à partir d'un environnement ambiant par l'intermédiaire de l'admission 5 et grâce à une commande de la conductance de la cathode à la consommation connue sur sa surface pour le cycle de travail prévu des impulsions. Si la matrice de tungstène, par exemple, a une conductance d'environ 5 X 10-6 litre/seconde, pour des impulsions de courant de l'ordre de 1000 microcoulombs à plusieurs centaines de milliers de volts et à la vitesse de répétition mentionnée précédemment, on peut obtenir une protection de cathode convenable. Un tube cylindrique offrant la même conductance (par exemple un capillaire de 20 p de diamètre et 5 cm de long, connecté à l'atmosphère) pourrait aussi être utilisé avec un bout à haute porosité.
Bien que l'invention ait été décrite précédemment en se référant au cas de l'hydrogène, il est clair que d'autres gaz peuvent être utilisés tel que l'hélium, I'azote, les vapeurs de métaux alcalino-terreux, etc.
Dans la variante de la fig. 2, une tige ou un fût de cathode imperméable 1 est représentée équipée d'une région terminale modifiée 1"', qui est composée d'un clathrate métallique (comme par exemple l'hydrure de zirconium ou de palladium) contenant de l'hydrogène ou un gaz analogue sous une forme liée libérable, de telle sorte qu'après l'application des impulsions, un remplacement continu de la couche de gaz sera offert le long de la surface extérieure 1 pour les raisons de protection définies précédemment. La très haute solubilité de l'hydrogène dans ces métaux (par exemple 200 cm3 [STP] par gramme) permet leur utilisation pour une fourniture continue de gaz dans des systèmes fermés ou obturés de manière étanche.
Une autre solution consiste à utiliser les diffusions normales de gaz à travers des métaux, telles qu'indiquées par la relation:
dc
dx dans laquelle q est la quantité de gaz traversant la superficie A par unité de temps, c est la concentration de gaz en un point quelconque à l'intérieur du métal et D est la constance de diffusion pour ce métal. Pour un métal utilisé en tant que membrane de diffusion au bout de la cathode et avec une pression de réservoir constante d'une atmosphère, la vitesse de diffusion augmente de manière exponentielle avec la température du métal. Cette propriété peut offrir une caractéristique d'autoréglage pour le remplacement superficiel.
Par exemple, un bout en palladium d'une épaisseur d'un mm d'une superficie de 0,1 cm2, avec une pression de réservoir de l'atmosphère, fournira 7,7 microlitres par minute à une température de 550OC et jusqu'à 77 microlitres par minute à une température de 800 C.
Encore une autre solution pour le rétablissement des surfaces cathodiques est offerte par la forme de réalisation de la fig. 3 suivant laquelle la cathode est construite sous la forme
d'une boucle, d'un fil, d'un cylindre ou d'un élément analogue continu 10, pouvant être déplacé ou mis en rotation à l'intérieur d'une structure de joint coulissant 7, comme par exemple entre une région de gaz à relativement haute pression 8 (par exemple de 1 à 10 ) et une zone de vide à relativement basse pression 2 (par exemple inférieure à 0,1 ). L'étanchéité entre les régions à haute et basse pression peut aisément être obtenue en faisant passer le fil 10 à travers un trou étroit 7' dans un disque de matière compressible (néoprène, etc.).
De tels joints sont utilisés couramment dans des systèmes à vide poussé et ils sont souvent dénommés joints Wilson. Du gaz est absorbé sur la cathode 10 alors qu'elle est déplacée à travers la région à relativement haute pression 8 au-dessus de la structure 7, de telle sorte que la surface cathodique est totalement recouverte par une couche de gaz absorbé au moment où elle a été amenée par rotation ou déplacement dans la région d'intervalle d'accélération à vide poussé 2 en face de l'anode 3.
On considérera à présent le temps requis pour une absorption de couche monomoléculaire à la surface d'une telle cathode rotative, se déplaçant d'un vide poussé (inférieur à 10-4 torr) vers une relativement haute pression à 10-3 torr (1 ). La vitesse v à laquelle des molécules frappent une zone dun centimètre carré peut être déterminée par l'expression:
= 3,5X1022P
(MT)1/2 dans laquelle M est le poids moléculaire du gaz, T est sa température et P est la pression en mm. Cette équation a pour base un coefficient d'adhérence ou de condensation égal à l'unité.
A titre d'illustration, en admettant qu'on utilise de l'azote pour lequel, à pression et température normales, une couche monomoléculaire représente 8 X 1014 molécules/cm2 et en admettant une température T de 300 o K, la période correspondant à cette vitesse peut être calculée comme égale à environ 2000 secondes.
Ce temps variera faiblement avec la température de cathode, c'est-à-dire comme T -
Un recouvrement des pores dans la surface cathodique se déroulera à une vitesse légèrement plus lente, telle que donnée par la relation de Clauzing t = 3 /2/6 a2S v, dans laquelle t est le temps nécessaire pour couvrir la surface des pores en secondes, lest la longueur des pores (cm), a est le rayon des pores (cm), S est la superficie en section transversale de la molécule (cm2) et v est la vitesse d'arrivée à la pression P en molécules/cm2/sec, telle que définie précédemment.
Dans le cas considéré, P = 10-3 mm, v = 4,1013 cm-2 sec-l à T = 300", et pour 10-2cm,a 10-2 cm et S = 14 X 10-16 cm2 pour N2,
t = 5 secondes.
Il est ainsi évident qu'une région de haute pression 8 dans la gamme de 1 à 10 microns est parfaitement convenable pour un rétablissement de surfaces se déplaçant à des vitesses de rotation d'un cycle/seconde. Des pressions de réservoir plus élevées et des vitesses de rotation supérieures peuvent être utilisées pour satisfaire des exigences d'application avec un cycle de travail plus élevé.
The present invention relates to a method for producing electrons and to an apparatus for carrying out the method. The electron generation process uses cold pulsed high current field emission cathodes.
In many applications of pulsed electron-producing devices, the relatively low degree of vacuum used and / or the relatively long period between successive pulse applications allows regeneration of the clean electron-ion plasma layers that serve as the source. electrons for an intense current emission. The term “clean plasma layer” is understood to mean the layer of electron-ion plasma normally existing around a cold emission cathode during the operation envisaged. Under the action of strong electric fields, these plasma layers normally surround the surfaces of cold high current field emission cathodes used in such devices.
When, however, extremely high vacuum conditions are established and / or the pulses are applied at a high repetition rate, problems arise due to the exposure of the cathode material to destruction during subsequent applications. 'pulses that follow the removal of these clean electron-ion plasma layers during previous pulse applications. Recent research into the behavior of cold (normal temperature) plasma cathodes in such applications has indeed revealed that surface erosion rates can be significantly controlled by the rate of replacement of the gas layer absorbed on the surface. conductive cathode.
In the case of high vacuum conditions, where the monomolecular layer absorption periods are large compared to the period between successive pulses, these erosion rates are increased, while these rates are markedly reduced when the gas pressure is increased. ambient temperature is increased to a point where the periods of monomolecular layer absorption become comparable with the periods between successive pulses.
The method is characterized by the fact that it consists in applying voltage pulses between an anode and a cold cathode with high current emission field, to a sufficient extent to obtain pulses of high emission current directly from the cold cathode, subjecting the outer surface of the cathode facing the anode to removal of the clean electron plasma layer at this surface as a result of the application of the pulses and creating a replacement layer plasma continues on this outer cathode surface, continuously supplying to this surface a gas adsorbable on this surface.
The apparatus for carrying out the method is characterized in that it comprises an anode and a cold cathode with high current field emission, means intended to apply voltage pulses between the anode and the cathode in a sufficient measure to obtain high emission current pulses directly from the cold cathode, with the outer surface of the cathode facing the anode subjected to removal of the level-clean electron-ion plasma layer of this surface as a result of the application of the pulses, and means for creating a continuous plasma replacement layer on this outer cathode surface, by continuously supplying to this surface a gas adsorbable on this surface.
The peculiarities of the invention will emerge from the description
tion below, given by way of nonlimiting example and with reference to
referring to the accompanying drawings, in which:
Fig. 1 is a longitudinal sectional view and a circuit diagram illustrating a preferred embodiment of the invention.
Figs. 2 and 3 are views in longitudinal section of variants.
Referring to fig. 1, an electron gun apparatus in a preferred embodiment comprises an impermeable cathode rod 1, for example of stainless steel or the like, extending downward from a conductive metal cap 1 ', and provided with A permeable end surface or tip 1 "disposed spaced apart from an anode electrode 3 which may take any conventional shape.
It is represented as a thin anode electron beam window 3 through which electrons can be projected by applying successive voltage pulses between cathode 1 and anode 3, but it can also s act as an electron-opaque target as used for the production of x-rays or any other well-known form.
The pulse application circuit is shown schematically as a bank of capacitors C capable of being charged through an impedance R from an appropriate load power source S having a terminal at potential - negative - VO. This negative potential is applied when closing a switch
Sw, to the cathode cap 1 ', the opposite or left terminal of the capacitor (s) C being shown connected to a ground terminal or other reference potential G as well as to the anode structure 3.
The acceleration space or interval 2 between the opposing active surfaces of the 1-1 "cathode and the anode 3 is maintained under vacuum by means of any well-known envelope 4, of dielectric metallic quality and placed under vacuum, which is shown schematically as enclosing the space containing the 1-1 "cathode structure,
The gap 2 and the upper surface of the anode 3. The casing 4 is in turn enclosed in a high pressure insulating environment 6, such as a CO2-N2 mixture or oil.
It is in the high stress region 1 "of cathode 1 within the vacuum envelope that the application of pulses may result in the previously mentioned peeling of the plasma layer of protective ions. and it is in these exposed regions that the present invention contemplates the replacement of fresh or absorbed protective gas layers.
According to the embodiment of FIG. 1, this is achieved by constructing the end part 1 of the cathode 1 as a porous sintered powder aggregate for the gas and through the pores of which a replacement gas is supplied from a dielectric tubular inlet 5 , through the cap 1 'and a central axial opening in the rod 1 of the cathode. The gas will diffuse through the end portion 1 of the cathode as indicated by the arrows and provide a continuous recovery of the absorbed gas layer and associated plasma replacement layers along the localized surface 1 opposite the l anode 3, thereby allowing continuous pulse application without exposing the cathode surface at 1 "to destruction or damage.
An example of a suitable porous powder aggregate for end portion 1 "is a tungsten matrix. If, for example, it is desired to maintain an area of cathode region 1 on the order of a tenth of a square centimeter continuously covered and protected by a gas which can be easily absorbed on the 1 "surface (such as for example hydrogen which has a monomolecular layer concentration of 1.5 x 1015 cm-2), despite a relatively fast repetition rate of the pulses of the order, for example, of a hundred pulses per second, more or less, a gas flow of only 5 X 10-3 cubic centimeters per second will be required. This constitutes a negligible pumping load.
Gas can be supplied from an ambient environment through inlet 5 and by controlling the conductance of the cathode to the known consumption on its surface for the intended duty cycle of the pulses. If the tungsten matrix, for example, has a conductance of around 5 X 10-6 liters / second, for current pulses of the order of 1000 microcoulombs to several hundred thousand volts and at the repetition rate mentioned previously, suitable cathode protection can be obtained. A cylindrical tube offering the same conductance (eg a capillary 20 µ in diameter and 5 cm long, connected to the atmosphere) could also be used with a high porosity tip.
Although the invention has been described previously with reference to the case of hydrogen, it is clear that other gases can be used such as helium, nitrogen, alkaline earth metal vapors, etc.
In the variant of FIG. 2, an impermeable cathode rod or barrel 1 is shown equipped with a modified terminal region 1 "', which is composed of a metal clathrate (such as for example zirconium or palladium hydride) containing hydrogen or a similar gas in a releasable bonded form, such that after the application of the pulses, continuous replacement of the gas layer will be offered along the outer surface 1 for the protection reasons defined above. solubility of hydrogen in these metals (eg 200 cc [STP] per gram) allows their use for continuous gas supply in closed or sealed systems.
Another solution is to use the normal diffusions of gases through metals, as indicated by the relation:
dc
dx where q is the amount of gas passing through area A per unit time, c is the gas concentration at any point inside the metal and D is the diffusion constancy for that metal. For a metal used as a diffusion membrane at the end of the cathode and with a constant reservoir pressure of one atmosphere, the diffusion rate increases exponentially with the temperature of the metal. This property can provide a self-tuning feature for surface replacement.
For example, a palladium tip with a thickness of one mm with an area of 0.1 cm2, with a tank pressure of the atmosphere, will provide 7.7 microliters per minute at a temperature of 550OC and up to at 77 microliters per minute at a temperature of 800 C.
Yet another solution for reestablishing cathode surfaces is offered by the embodiment of FIG. 3 according to which the cathode is constructed in the form
of a loop, wire, cylinder or the like continuous 10, movable or rotatable within a sliding joint structure 7, such as between a region of relatively high pressure gas 8 (eg 1 to 10) and a relatively low pressure vacuum zone 2 (eg less than 0.1). Sealing between the high and low pressure regions can easily be achieved by passing the wire 10 through a narrow hole 7 'in a disc of compressible material (neoprene, etc.).
Such gaskets are commonly used in high vacuum systems and are often referred to as Wilson gaskets. Gas is absorbed on cathode 10 as it is moved through the relatively high pressure region 8 above structure 7, so that the cathode surface is completely covered by a layer of absorbed gas at the time. it was brought by rotation or displacement in the high vacuum acceleration interval region 2 in front of the anode 3.
Consider now the time required for a monomolecular layer absorption on the surface of such a rotating cathode, moving from a high vacuum (less than 10-4 torr) to a relatively high pressure at 10-3 torr (1 ). The speed v at which molecules strike an area of one square centimeter can be determined by the expression:
= 3,5X1022P
(MT) 1/2 where M is the molecular weight of the gas, T is its temperature and P is the pressure in mm. This equation is based on a coefficient of adhesion or condensation equal to unity.
By way of illustration, assuming that nitrogen is used for which, at normal pressure and temperature, a monomolecular layer represents 8 X 1014 molecules / cm2 and assuming a temperature T of 300 o K, the period corresponding to this speed can be calculated as about 2000 seconds.
This time will vary slightly with the cathode temperature, i.e. as T -
Covering of the pores in the cathode surface will proceed at a slightly slower rate, as given by the Clauzing relation t = 3/2/6 a2S v, where t is the time required to cover the pore surface in seconds , ballast the length of the pores (cm), a is the radius of the pores (cm), S is the cross-sectional area of the molecule (cm2) and v is the speed of arrival at pressure P in molecules / cm2 / sec, as defined above.
In the case considered, P = 10-3 mm, v = 4.1013 cm-2 sec-l at T = 300 ", and for 10-2cm, has 10-2 cm and S = 14 X 10-16 cm2 for N2,
t = 5 seconds.
It is thus evident that a high pressure region 8 in the range of 1 to 10 microns is perfectly suitable for recovery of surfaces moving at rotational speeds of one cycle / second. Higher tank pressures and higher rotational speeds can be used to meet application requirements with a higher duty cycle.