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.