L'utilisation d'émetteurs par effet de champ comme sources froides d'électrons dans les systèmes qui mettent en jeu des faisceaux électroniques s'avère à l'heure actuelle, aux yeux de nombreux spécialistes, potentiellement bien supérieure à celle des cathodes thermo-ioniques conventionnelles, en raison notamment du fait qu'ils sont capables, sans l'apport d'aucune énergie extérieure, de générer des faisceaux d'électrons fortement localisés et à très haute densité de courant, cela par simple application d'un champ électrique entre cathode et anode. Ces émetteurs par effet de champ se présentent généralement sous la forme de pointes extrêmement fines, de façon à mettre à profit le champ électrique intense qui règne au voisinage de tout conducteur fortement pointu pour maintenir à une valeur acceptable la tension requise pour créer l'émission d'électrons.
Le matériau le plus communément utilisé jusqu'à présent pour les émetteurs par effet de champ a été le tungstène, en raison principalement de son haut point de fusion, de sa grande résistance mécanique et de ses basses propriétés électriques.
On sait cependant que de tels émetteurs de tungstène ne peuvent fonctionner convenablement que dans des systèmes où il règne un vide très poussé (ultravide de l'ordre de 10-10 torr), leur émission devenant au contraire instable et leur durée de vie très limitée dès que la pression devient supérieure à 10-8 torr.
La présence d'un vide moyen entraîne en effet la formation de couches d'oxydes à la surface des pointes de tungstène et l'apparition de phénomènes d'érosion par bombardement ionique, cause d'une destruction rapide de ces pointes. L'exigence d'un ultravide pour les émetteurs de tungstène est évidemment tout à fait incompatible avec leur utilisation dans les tubes électroniques classiques, dans lesquels règne une pression de l'ordre de 10-6 à 10-8 torr, de telle sorte que leur emploi a été réservé jusqu'à présent à des dispositifs très spéciaux tels que tubes à rayons X à haute puissance ou microscopes électroniques à balayage.
La fabrication des pointes de tungstène exige par ailleurs l'application, consécutivement à l'appointage par attaque anodique, d'un traitement thermique destiné à éliminer toute trace d'oxyde, lequel traitement a pour effet d'émousser les pointes préalablement obtenues et d'en augmenter ainsi le rayon de leurs extrémités, de sorte que le fonctionnement correct des pointes de tungstène nécessite l'application de tensions relativement élevées.
On a essayé récemment, pour remplacer le tungstène, d'utiliser un certain nombre d'autres matériaux tels que des composés métalliques réfractaires comme les carbures de zirconium, de tungstène ou de tantale ou le borure de lanthane. On a également essayé d'autres matériaux tels que des whiskers de carbure de silicium ou des fibres de carbone. Cette dernière utilisation se révèle particulièrement prometteuse, puisqu'il a été démontré que des émetteurs en fibre de carbone étaient susceptibles de fonctionner correctement dans des gammes de pressions comparables à celles qui existent dans les tubes à vide utilisés industriellement, ces émetteurs en fibre de carbone pouvant par ailleurs être façonnés de façon suffisamment effilée pour émettre des électrons sous des tensions relativement basses (de tels émetteurs étant parfois appelés émetteurs basse tension).
La fabrication de ces émetteurs basse tension en fibre de carbone est cependant relativement complexe, puisqu'elle nécessite l'application de deux opérations successives, à savoir soumission de la fibre à une décharge corona dans l'air suivie d'une opération de claquage sous vide. Par ailleurs, la nature extrêmement fragile et cassante de tous les matériaux qui viennent d'être mentionnés n'autorise que très difficilement leur assemblage sur un support conducteur commun, en vue de réaliser des réseaux d'émetteur en forme de peigne.
La réalisation de tels réseaux d'émetteurs en forme de peigne est cependant impérative pour leur utilisation dans un certain nombre de tubes à rayons cathodiques, tel par exemple le tube vidéocathodique déjà décrit. Les tubes de ce type requièrent en effet la présence d'un ensemble de peignes d'émetteurs (par exemple 500 peignes de 500 émetteurs pour le tube vidéocathodique susmentionné) qui doivent satisfaire à un grand nombre d'exigences conjointes. Ces peignes doivent d'abord avoir des caractéristiques d'émission, donc en particulier des seuils d'émission qui sont reproductibles à la fois dans le temps et d'un émetteur à un autre (écart maximal toléré de + 100 V autour d'une valeur moyenne), afin que ces écarts n'entraînent pas de variations trop sensibles de l'intensité lumineuse entre deux points de l'écran issus de deux émetteurs distincts soumis à des conditions identiques.
Chacun des émetteurs constitutifs de ces peignes doit ensuite avoir une caractéristique courant-tension à pente suffisamment raide pour qu'on puisse considérer la tension d'émission comme pratiquement constante dans la gamme utile de courants émis. Ces exigences de seuil d'émission reproductible et de caractéristique courant-tension à pente raide sont satisfaites par rutilisation d'émetteurs à basse tension de seuil, c'est-Åa-dire des émetteurs très pointus qui présentent des seuils d'émission inférieurs ou égaux à des valeurs de l'ordre de 500 V, et qui sont susceptibles d'émettre des courants pouvant varier de 0,1 A à plus de 10 A lorsqu'ils sont soumis à des tensions variant entre des valeurs de l'ordre de 500 à 1000 V.
De tels peignes d'émetteurs doivent encore satisfaire à un certain nombre d'autres exigences.
Ils doivent ainsi posséder une grande résistance mécanique afin de pouvoir résister aux efforts importants dus aux champs d'émission élevés. Ils doivent également pouvoir être fabriqués en grande série de manière économique. Ils doivent surtout enfin pouvoir fonctionner dans des vides moyens de l'ordre de 10-6 à 10-7 torr avec des durées de vie élevées (de Tordre de 1000 à 10000 h en fonctionnement continu) tout en restant le plus stable possible.
Le matériau idéal pour de tels émetteurs par effet de champ devrait réunir les différentes propriétés suivantes. Il devrait d'abord posséder une résistance mécanique élevée, tout en étant apte à être préparé sous forme de peignes et a être façonné en masse sous forme de pointes extrêmement aiguës.
I1 devrait ensuite être suffisamment conducteur de l'électricité pour pouvoir conduire les électrons émis et évacuer une densité de courant maximale de l08A/cm2, de façon à éviter tout échauffement éventuel susceptible d'entraîner la détérioration de l'émetteur par fusion de la pointe ou par apparition d'un arc par vaporisation. Il devrait également présenter un point de fusion élevé et avoir une basse pression de vapeur de façon à éviter la destruction de l'émetteur sous l'effet des hautes intensités de courant dans la région d'émission. Il devrait par ailleurs posséder un rendement de pulvérisation cathodique très bas, de façon que les ions résultant de l'ionisation du gaz résiduel par les électrons émis viennent endommager le moins possible la pointe portée à un potentiel négatif.
Un tel matériau également ne devrait pas pouvoir former en surface des couches ayant une composition chimique différente de celle du matériau lui-même, la stabilité de l'émission n'étant en effet assurée que si l'état de la surface d'émission est stable (ce qui n'est pas le cas par exemple des matériaux recouverts superficiellement d'une couche d'oxyde, sauf dans la mesure où le matériau lui-même est un oxyde conducteur ou un composé inerte à l'oxy gène). Enfin, un tel matériau devrait ne pas présenter d'état liquide de façon qu'une fusion éventuelle de l'émetteur sous l'effet d'une surcharge (claquage) ne puisse entraîner qu'une modification de la structure de son émetteur, sans en altérer son caractère pointu et par conséquent ses caractéristiques d'émetteur basse tension.
La fusion d'un émetteur fait en un matériau qui présente un état liquide provoque en effet l'émoussement de la pointe et par conséquent la perte de ses propriétés d'émission à basse tension.
On ne connaît à l'heure actuelle aucun matériau qui soit susceptible à lui seul de réunir toutes ces propriétés, de sorte qu'il s'est révélé pratiquement impossible jusqu'à présent de réaliser des peignes qui présentent toutes les caractéristiques requises.
La présente invention a précisément pour but de remédier aux inconvénients susmentionnés en proposant un peigne d'émetteurs par effet de champ aux caractéristiques reproductibles et capable de fonctionner dans un vide moyen avec une durée de vie élevée, ainsi qu'un procédé pour fabriquer de tels peignes d'émetteurs en grande série et de manière économique.
A cet effet, la présente invention a pour objet un réseau d'émetteurs par effet de champ en forme de peigne, constitué par une armature conductrice de l'électricité de laquelle font saillie une pluralité de pointes capables d'émettre des électrons par effet de champ lorsqu'elles sont soumises à un potentiel d'extraction, caractérisé par le fait que chacune desdites pointes est constituée par un support pointu, dont au moins le sommet est recouvert d'une couche mince d'un matériau doué de propriétés élevées d'émission par effet de champ.
La présente invention a également pour objet un procédé pour fabriquer un réseau d'émetteurs en forme de peigne, à partir d'une ébauche constituée par une armature conductrice de l'électricité de laquelle font saillie une pluralité d'éléments longilignes, caractérisés par le fait qu'on appointe les extrémités libres de chacun desdits éléments longilignes et qu'ensuite on dépose au moins sur lesdites extrémités appointées une couche mince dudit matériau doué de propriétés élevées d'émission par effet de champ.
Le dessin annexé illustre, schématiquement et à titre d'exemple, une forme d'exécution du peigne d'émetteurs objet de la présente invention, ainsi qu'un forme d'exécution et une variante d'appareillages pour la mise en oeuvre du procédé de fabrication de ces peignes.
La fig. 1 est une vue en perspective, illustrant une forme d'exécution du peigne d'émetteurs selon l'invention.
La fig. 2 est une vue en coupe longitudinale illustrant un détail delafig. 1.
La fig. 3 est une vue schématique d'un appareil pour la mise en oeuvre d'une première phase du procédé selon l'invention.
La fig. 4 est une vue d'un appareil pour la mise en oeuvre d'une seconde phase de ce procédé.
La fig. 5 est une vue analogue à la fig. 4, illustrant une variante.
Le peigne d'émetteurs par effet de champ représenté à la fig. 1 comprend une armature conductrice de l'électricité 1, de l'un des bords longitudinaux 2, de laquelle font saillie une pluralité d'éléments longilignes 3 disposés parallèlement les uns aux autres et répartis régulièrement le long de ce bord 2. Les extrémités libres 4 de chacun de ces éléments 3 (fig. 2) revêtent la forme de pointes extrêmement aiguës de forme conique, dont le sommet possède un rayon de courbure de l'ordre de 1000 À. Ces éléments longilignes 3 sont faits en un matériau conducteur de l'électricité, doué d'une résistance mécanique élevée et apte à être façonné sous la forme de pointes extrêmement aiguës. De manière particulièrement avantageuse, ce matériau peut être (de même que le matériau constitutif de l'armature 1) de l'acier inoxydable.
Ce matériau peut également être du nickel ou même du tungstène.
Les extrémités pointues de ces éléments 3, de même que, de manière non obligatoire, le reste de ces éléments, sont recouverts d'une couche mince 5 d'un matériau doué de propriétés élevées d'émission par effet de champ. De manière particulièrement avantageuse, ce matériau peut être du carbone, lequel possède à un très haut degré les qualités requises plus haut. Le carbone est en effet un matériau extrêmement réfractaire, dont le rendement de pulvérisation est parmi les plus bas connus, dont les oxydes sont volatils à température ambiante, et qui ne présente pas d'état liquide jusqu'à plusieurs milliers d'atmosphères, quelle que soit la température. Par ailleurs, le carbone est un matériau abondant et peu coûteux. On peut également utiliser comme matériaux doués de propriétés d'émission par effet de champ, des matériaux réfractaires tels que des carbures ou du borure de lanthane.
Le borure de lanthane, notamment, constitue un matériau relativement stable et qui possède un travail d'extraction électronique bas, caractéristique très favorable pour l'obtention d'un émetteur basse tension. L'épaisseur de cette couche mince 5 est, de manière préférentielle, de l'ordre de 1000 .
Comme on peut aisément s'en rendre compte, c'est la structure composite du peigne décrit qui permet de satisfaire à la plupart des exigences mentionnées plus haut. Les éléments extrêmement pointus 3 montés sur l'armature commune I permettent en effet de procurer au peigne la résistance mécanique et la géométrie (réseau d'émetteurs en forme de peigne et émetteurs individuels en forme de pointe) requises et ils jouent en quelque sorte le rôle de supports mécaniques pour la couche mince de revêtement qui assure la fonction d'émission par effet de champ proprement dite.
Le peigne du réseau d'émetteurs selon l'invention peut être fabriqué à partir d'une ébauche 10 (fig. 3) constituée par une armature conductrice de l'électricité 1 1 de laquelle font saillie une pluralité d'éléments longilignes 13 disposés parallèlement les uns aux autres et répartis régulièrement le long de cette armature 11, par application successive de deux opérations distinctes, à savoir une première opération d'appointage qui consiste à transformer les extrémités libres 14 de ces éléments 13 en pointes extrêmement effilées, et une seconde opération de revêtement qui consiste à déposer sur la surface de ces pointes 14 une couche mince d'un matériau doué de propriétés d'émission de champ élevées.
L'ébauche 10 elle-même peut être obtenue de plusieurs façons différentes. Elle peut par exemple être obtenue par soudage d'une pluralité de fils fins sur une bande conductrice métallique. Pour fabriquer en nasse de telles ébauches par soudage, on peut par exemple disposer sous une trame de fils parallèles des bandes métalliques régulièrement espacées les unes des autres, puis souder rapidement les fils sur les bandes par passage d'un galet de soudure (procédé dit de soudage à la molette, bien connu dans l'industrie) et enfin obtenir les peignes désirés par découpe à la cisaille des fils entre chaque bande. Une telle ébauche 10 peut également être obtenue par découpage d'une feuille métallique mince par fraisage ou étampes, les ébauches de pointes ainsi obtenues ayant dans ce cas une section rectangulaire ou carrée.
Un tel procédé élimine la nécessité de rapporter et d'assembler des bandes et des fils. L'ébauche 10 peut enfin être obtenue par découpage photolithographique d'une feuille mince, les ébauches de pointes ainsi obtenues ayant dans ce cas une section polygonale.
Un tel procédé élimine la nécessité d'un usinage mécanique.
L'appointage des extrémités libres 14 des éléments 13 de l'ébauche 10 peut être obtenu par un certain nombre de méthodes telles que attaque chimique, attaque électrolytique, bombardement électronique ou pulvérisation cathodique. L'attaque anodine dans un bain d'électrolyte constitue cependant, parmi toutes ces méthodes, la méthode la plus simple à mettre en oeuvre pour obtenir une grande série des pointes fines et reproductibles.
Cette attaque anodique peut par exemple être effectuée à l'aide d'un dispositif du type représenté à la fig. 3, ou l'on peut voir une cuve 1 contenant un bain d'électrolyte 16, dans lequel plongent les extrémités libres des éléments 13 de l'ébauche 10 qui constitue l'une des électrodes, et dans lequel plonge également une contreélectrode 17, I'ébauche 10 et la contre-électrode 17 étant par ailleurs connectées respectivement à l'un et à l'autre pôle d'une source de courant continu 18.
Dans le cas de l'appointage d'éléments 13 en acier inoxydable, on peut utiliser de manière particulièrement avantageuse un bain 16 contenant de l'acide phosphorique, la contre-électrode étant alors en cuivre. On peut à cet effet utiliser par exemple un bain connu dans le commerce sous le nom de Molectrics, que l'on maintient à une température d'environ 75 C. On peut également utiliser un bain composé des éléments suivants:
25 cc PO4H3
3 cc S04H2
25 cc glycérine
5 cc H2O
0,5 gr SO4Cu
Le processus d'appointage peut être contrôlé par action sur la tension, le temps d'attaque et la profondeur d'immersion.
Exemple d'appoitztage:
On utilise une ébauche constituée par un peigne de 24 fils d'acier inoxydable de 0,2 mm de diamètre initial séparés par des intervalles de 2 mm, et un bain Molectrics maintenu à 75 C. On fait subir à cette ébauche la suite des opérations suivantes:
Opération d'amincissement destinée à réduire le diamètre des fils jusqu'à une valeur inférieure à 0,05 mm: trempage des fils dans le bain sur une hautuer de 4 mm avec attaque anodique de 15 s à 10 V. Cette première attaque a pour but de nettoyer les fils et de provoquer un premier amincissement cylindrique. On fait suivre ce premier trempage d'une succession alternative de trempage de durée très brève (environ 6 trempages à 10 V avec une hauteur d'immersion de 4 mm, chaque cycle de trempage durant environ 4 s).
Cette succession alternative de trempages a pour effet de provoquer un amincissement conique.
- Opération d'effilement destinée à procurer la forme finale de cône: trempage sur une hauteur de 1,5 mm suivi d'une attaque anodique de 10 V jusqu'à arrête complet du courant (environ S à lots).
- Opération de nettoyage final: trempage du peigne à une profondeur de 2 mm, application d'une courte impulsion d'attaque (10 V, 2 s), retrait des pointes hors du bain et enfin rinçage à l'eau distillée (par exemple froide et chaude).
On obtient de la sorte une série de pointes très fines en forme de cône, dont le rayon de courbure du sommet est très aigu (5:1000 A).
On fait suivre l'opération d'appointage d'une opération de dépôt d'une couche mince d'un matériau doué de propriétés élevées d'émission de champ. Le dépôt d'une couche mince de carbone sur chacune de ces pointes par exemple peut être obtenu avec des méthodes telles qu'arc électrique sous vide ou pyrolyse.
En ce qui concerne la méthode de l'arc électrique, il est souhaitable, d'une part, de présenter l'ébauche à revêtir sensiblement perpendiculairement à la direction du flux d'atomes de carbone évaporés de façon à obtenir une couche d'épaisseur régulière et maximale le long des tiges de pointes pour une quantité minimale de consommation des électrodes de l'arc et, d'autre part, de préchauffer l'ébauche durant l'évaporation de carbone à une température comprise entre 400 et 800 C, de façon à obtenir une bonne adhérence de la couche de carbone sur les pointes et à avoir une couche de carbone qui possède une résistivité électrique de l'ordre de celle du carbone amorphe massif. On sait en effet que les couches minces de carbone déposées sur un substrat froid présentent une résistivité électrique anormalement élevée.
En ce qui concerne cette méthode de l'arc électrique sous vide, plusieurs variantes peuvent être utilisées: arc électrique ponctuel entre deux électrodes de carbone, arc électrique diffus à partir d'une cathode de carbone présentant une certaine étendue, batterie d'arcs ponctuels ou batterie d'arcs diffus.
La méthode de l'arc électrique ponctuel, par exemple, peut être mise en oeuvre à l'aide du dispositif représenté à la fig. 4. Ce dispositif comprend une enceinte à vide 20 équipée d'une vanne 21 et de moyens de pompage 22, dans laquelle sont disposées deux électrodes de graphite en forme de ponte 23 et 24 se faisant vis-à-vis. L'une des électrodes 23 est reliée à la masse, cependant que l'autre électrode 24 est reliée à l'un des pôles d'une source de tension 25 dont l'autre pôle est également relié à la nasse.
Cette source de tension 25 peut fournir une tension de l'ordre 40 V et elle possède une impédance suffisamment basse pour pouvoir débiter des courants de l'ordre de 30 à 50 A. Audessous de ces électrodes 23 et 24 est disposée, perpendiculairement à la direction du flux d'atomes de carbone évaporés,
I'ébauche appointie 10, laquelle est montée sur un mécanisme (schématisé par un axe 26) capable de la faire pivoter de 180 (pivotement schématisé par la flèche 27). Entre les électrodes de graphite 23 et 24 et l'ébauche 10 est par ailleurs disposée une grille protectrice 28 reliée à la nasse, destinée à capter les courants ioniques résiduels. Enfin, au-dessous de l'ébauche 10 est disposé un ruban chauffant 29 dont les extrémités sont reliées à une source de courant 30.
Ce ruban chauffant 29 est destiné à porter durant l'évaporation l'ébauche 10 à une température comprise entre 400 et 800 C. L'ébauche 10 étant conductrice, on pourrait bien entendu, si on le désire, supprimer le rubam chauffant 29 et chauffer directement l'ébauche 10 par effet Joule. Le fonctionnement d'un tel dispositif est le suivant: on fait d'abord le vide à l'intérieur de l'enceinte 20 (vide de l'ordre de 10-5 torr), puis on préchauffe l'ébauche 10. Une fois que cette ébauche a atteint la température désirée, on rapproche les électrodes 23 et 24 I'une de l'autre et on branche la source 25 de façon à faire jaillir un arc électrique entre ces électrodes, puis on éloigne à nouveau ces électrodes l'une de l'autre de façon à stabiliser l'arc électrique.
Les atomes de carbone évaporés vont alors se déposer sur le côté des pointes de l'ébauche 10 situé en regard de ces électrodes. Lorsque la couche de carbone a atteint l'épaisseur désirée, on fait pivoter l'ébauche de 180 de façon à recouvrir l'autre côté des pointes de cette ébauche (nouvelle position de l'ébauche représentée en pointillés au dessin). On arrête l'évaporation lorsqu'on a obtenu l'épaisseur désirée. Cette épaisseur peut être déterminée par étalonnage préalable.
La fig. 5 illustre un dispositif pour la mise en oeuvre du processus de dépôt par arc électrique diffus. Ce dispositif comprend une enceinte à vide 40 équipée d'une vanne 41 et de moyens de pompage 42, dans laquelle sont disposées deux électrodes coaxiales distantes l'une de l'autre, respectivement une cathode cylindrique 44 en graphite, raccordée par l'intermédiaire d'une résistance de puissance 35 au pôle négatif d'une source de courant continu 45 (dont le pôle positif est relié à la nasse), et une anode 43 située au-dessous de la cathode 44 et reliée à la nasse.
Au-dessous de cette anode annulaire 43 est disposée l'ébauche 10 montée dans un mécanisme pivotant (schématisé par l'axe 46).
Entre l'anode 43 et l'ébauche 10 est disposée par ailleurs une grille protectrice 48 reliée à la nasse, cependant qu'un ruban chauffant 49 dont les extrémités sont raccordées à une source de courant 50 est disposé au-dessous de l'ébauche 10. Autour de la cathode 44 est encore disposée un organe d'allumage annulaire 34, susceptible d'être déplacé en translation par rapport à la cathode 44 et destiné à amorcer l'arc électrique diffus entre la cathode 44 et l'anode 43. Le fonctionnement de ce dispositif est analogue à celui décrit précédemment. A titre d'exemple, on soumet chaque côté de l'ébauche 10 à une évaporation de 60 secondes avec un courant d'arc de 50 A sous une pression de l'ordre de 10-4 torr.
On obtient à la surface de chacune des pointes de l'ébauche 10 une couche régulière de carbone qui présente une épaisseur de l'ordre de 1000 .
L'utilisation d'un arc électrique diffus présente l'avantage, par rapport à un arc électrique ponctuel, de posséder une relation reproductible entre le courant d'arc et le flux d'évaporation. Cet arc diffus donne par ailleurs un flux moins directionnel qu'un arc ponctuel, ce qui permet de mieux revêtir les surfaces non planes.
La méthode de dépôt par arc électrique peut donner lieu à de nombreuses variantes. On peut ainsi, par exemple, envisager d'utiliser toute une batterie d'arcs ponctuels ou d'arcs diffus en vue d'effectuer des revêtements en grande série. On peut de même envisager un dispositif pour revêtir en continu des peignes, dans lequel les peignes à revêtir se déplaceraient dans une sorte de tunnel équipé de batteries d'arcs situées de part et d'autre du chemin suivi par les peignes (la nécessité de faire subir aux peignes un pivotement de 180 étant ainsi éliminée).
La méthode par pyrolyse consiste à chauffer les parties à revêtir dans une atmosphère d'un hydrocarbure non saturé. Le dépôt de carbone se forme par craquage sur le support chaud.
Le réseau d'émetteurs selon l'invention présente l'avantage de pouvoir fonctionner dans des vides moyens avec des durées de vie élevées et de pouvoir être façonné sous la forme de pointes extrêmement aiguës, de façon à pouvoir émettre avec des seuils d'émission relativement bas. Sa structure composite particulière permet par ailleurs sa fabrication en grande série, économiquement et de manière reproductible.
The use of field-effect emitters as cold sources of electrons in systems involving electron beams is currently, in the eyes of many specialists, potentially much superior to that of thermo-cathodes. ionic conventional, due in particular to the fact that they are capable, without the contribution of any external energy, of generating highly localized electron beams and at very high current density, this by simple application of an electric field between cathode and anode. These emitters by field effect are generally in the form of extremely fine points, so as to take advantage of the intense electric field which prevails in the vicinity of any strongly pointed conductor to maintain at an acceptable value the voltage required to create the emission. of electrons.
The most commonly used material so far for field-effect emitters has been tungsten, mainly due to its high melting point, high mechanical strength and low electrical properties.
However, it is known that such tungsten emitters can only function properly in systems where there is a very high vacuum (ultra-vacuum of the order of 10-10 torr), their emission becoming on the contrary unstable and their lifespan very limited. as soon as the pressure becomes greater than 10-8 torr.
The presence of a medium vacuum in fact causes the formation of oxide layers on the surface of the tungsten points and the appearance of erosion phenomena by ion bombardment, the cause of rapid destruction of these points. The requirement of an ultra-vacuum for tungsten emitters is obviously quite incompatible with their use in conventional electron tubes, in which a pressure of the order of 10-6 to 10-8 torr prevails, so that their use has hitherto been reserved for very special devices such as high power X-ray tubes or scanning electron microscopes.
The manufacture of tungsten points also requires the application, following the pointing by anodic attack, of a heat treatment intended to eliminate all traces of oxide, which treatment has the effect of blunting the points previously obtained and Thus increasing the radius of their ends, so that the correct operation of the tungsten tips requires the application of relatively high voltages.
Recently, attempts have been made to use a number of other materials to replace tungsten, such as refractory metal compounds such as zirconium, tungsten or tantalum carbides or lanthanum boride. Other materials such as silicon carbide whiskers or carbon fibers have also been tried. The latter use is particularly promising, since it has been shown that carbon fiber emitters were capable of operating correctly in pressure ranges comparable to those which exist in vacuum tubes used industrially, these carbon fiber emitters which can also be shaped in a sufficiently tapered fashion to emit electrons at relatively low voltages (such emitters are sometimes called low voltage emitters).
The manufacture of these low voltage carbon fiber emitters is however relatively complex, since it requires the application of two successive operations, namely subjecting the fiber to a corona discharge in the air followed by a breakdown operation under empty. Furthermore, the extremely fragile and brittle nature of all the materials which have just been mentioned makes it very difficult to assemble them on a common conductive support, in order to produce emitter networks in the form of a comb.
The production of such emitters in the form of a comb is however imperative for their use in a certain number of cathode ray tubes, such as for example the video cathode ray tube already described. Tubes of this type indeed require the presence of a set of emitter combs (for example 500 combs of 500 emitters for the aforementioned video cathode tube) which must meet a large number of joint requirements. These combs must first have emission characteristics, therefore in particular emission thresholds which are reproducible both over time and from one emitter to another (maximum tolerated deviation of + 100 V around a mean value), so that these differences do not lead to excessively sensitive variations in light intensity between two points on the screen from two separate emitters subjected to identical conditions.
Each of the emitters constituting these combs must then have a current-voltage characteristic with a sufficiently steep slope so that the emission voltage can be considered as practically constant in the useful range of emitted currents. These reproducible emission threshold and steeply sloped current-voltage characteristic requirements are met by the use of low threshold voltage transmitters, that is, very sharp transmitters that have lower or lower emission thresholds. equal to values of the order of 500 V, and which are liable to emit currents which may vary from 0.1 A to more than 10 A when subjected to voltages varying between values of the order of 500 to 1000 V.
Such emitter combs still have to meet a number of other requirements.
They must therefore have high mechanical strength in order to be able to withstand the high forces due to the high emission fields. They must also be able to be mass-produced economically. They must above all finally be able to operate in average voids of the order of 10-6 to 10-7 torr with high lifetimes (of the order of 1000 to 10,000 h in continuous operation) while remaining as stable as possible.
The ideal material for such field effect emitters should combine the following different properties. It should first have a high mechanical strength, while being able to be prepared in the form of combs and to be mass shaped in the form of extremely sharp tips.
It should then be sufficiently electrically conductive to be able to conduct the emitted electrons and to evacuate a maximum current density of l08A / cm2, so as to avoid any possible heating which could lead to the deterioration of the emitter by melting the tip or by the appearance of an arc by vaporization. It should also exhibit a high melting point and have a low vapor pressure so as to avoid destruction of the emitter under the effect of high current intensities in the emitting region. It should also have a very low cathode sputtering efficiency, so that the ions resulting from the ionization of the residual gas by the emitted electrons damage as little as possible the tip brought to a negative potential.
Such a material also should not be able to form on the surface layers having a chemical composition different from that of the material itself, the stability of the emission being in fact ensured only if the state of the emission surface is stable (which is not the case, for example, with materials superficially coated with an oxide layer, except insofar as the material itself is a conductive oxide or a compound inert to oxygen). Finally, such a material should not have a liquid state so that a possible fusion of the emitter under the effect of an overload (breakdown) can only lead to a modification of the structure of its emitter, without alter its sharp character and consequently its low voltage emitter characteristics.
The melting of an emitter made of a material which exhibits a liquid state in fact causes the tip to dull and consequently the loss of its low voltage emission properties.
At the present time, no material is known which is capable on its own of combining all these properties, so that it has so far proved practically impossible to produce combs which have all the required characteristics.
The object of the present invention is precisely to overcome the aforementioned drawbacks by proposing a comb of emitters by field effect with reproducible characteristics and capable of operating in a medium vacuum with a high lifetime, as well as a method for manufacturing such emitter combs in large series and economically.
To this end, the present invention relates to a network of emitters by comb-shaped field effect, consisting of an electrically conductive armature from which protrude a plurality of points capable of emitting electrons by the effect of field when subjected to an extraction potential, characterized in that each of said points is constituted by a pointed support, at least the top of which is covered with a thin layer of a material endowed with high properties of emission by field effect.
The present invention also relates to a method for manufacturing an array of emitters in the form of a comb, from a blank formed by an electrically conductive frame from which protrude a plurality of elongated elements, characterized by the that the free ends of each of said elongate elements are joined and then deposited at least on said pointed ends a thin layer of said material endowed with high emission properties by field effect.
The appended drawing illustrates, schematically and by way of example, an embodiment of the comb of transmitters which is the subject of the present invention, as well as an embodiment and a variant of apparatus for carrying out the method. of manufacture of these combs.
Fig. 1 is a perspective view illustrating an embodiment of the comb of transmitters according to the invention.
Fig. 2 is a longitudinal sectional view illustrating a detail delafig. 1.
Fig. 3 is a schematic view of an apparatus for implementing a first phase of the method according to the invention.
Fig. 4 is a view of an apparatus for carrying out a second phase of this method.
Fig. 5 is a view similar to FIG. 4, illustrating a variant.
The comb of emitters by field effect shown in FIG. 1 comprises an electrically conductive frame 1, from one of the longitudinal edges 2, from which protrude a plurality of elongated elements 3 arranged parallel to each other and distributed regularly along this edge 2. The free ends 4 of each of these elements 3 (fig. 2) take the form of extremely sharp points of conical shape, the apex of which has a radius of curvature of the order of 1000 Å. These elongated elements 3 are made of an electrically conductive material, endowed with high mechanical strength and capable of being shaped in the form of extremely sharp points. In a particularly advantageous manner, this material can be (like the material constituting the reinforcement 1) stainless steel.
This material can also be nickel or even tungsten.
The pointed ends of these elements 3, as well as, but not necessarily, the rest of these elements, are covered with a thin layer 5 of a material endowed with high properties of emission by field effect. In a particularly advantageous manner, this material can be carbon, which has to a very high degree the qualities required above. Carbon is indeed an extremely refractory material, whose spraying efficiency is among the lowest known, whose oxides are volatile at room temperature, and which does not present a liquid state up to several thousand atmospheres, which whatever the temperature. In addition, carbon is an abundant and inexpensive material. It is also possible to use as materials endowed with emission properties by field effect, refractory materials such as carbides or lanthanum boride.
Lanthanum boride, in particular, constitutes a relatively stable material which has a low electronic extraction work, a very favorable characteristic for obtaining a low voltage emitter. The thickness of this thin layer 5 is preferably of the order of 1000.
As one can easily see, it is the composite structure of the comb described which makes it possible to satisfy most of the requirements mentioned above. The extremely pointed elements 3 mounted on the common frame I make it possible to provide the comb with the mechanical resistance and geometry (array of comb-shaped emitters and individual point-shaped emitters) required and they play in a way the role of mechanical supports for the thin coating layer which performs the actual field effect emission function.
The comb of the network of transmitters according to the invention can be made from a blank 10 (Fig. 3) consisting of an electrically conductive frame 11 from which protrude a plurality of elongated elements 13 arranged in parallel to each other and distributed regularly along this frame 11, by successive application of two distinct operations, namely a first pointing operation which consists in transforming the free ends 14 of these elements 13 into extremely tapered tips, and a second coating operation which consists in depositing on the surface of these tips 14 a thin layer of a material endowed with high field emission properties.
The blank 10 itself can be obtained in several different ways. It can for example be obtained by welding a plurality of fine wires to a metallic conductive strip. To manufacture such blanks in a basket by welding, it is for example possible to place metal strips regularly spaced apart from each other under a frame of parallel wires, then quickly weld the wires onto the strips by passing a welding roller (so-called process). seam welding, well known in the industry) and finally obtain the desired combs by shearing the wires between each strip. Such a blank 10 can also be obtained by cutting a thin metal sheet by milling or stamping, the tip blanks thus obtained having in this case a rectangular or square section.
Such a method eliminates the need for backing and joining bands and threads. The blank 10 can finally be obtained by photolithographic cutting of a thin sheet, the tip blanks thus obtained having in this case a polygonal section.
Such a method eliminates the need for mechanical machining.
The pointing of the free ends 14 of the elements 13 of the blank 10 can be obtained by a number of methods such as chemical etching, electrolytic etching, electron bombardment or sputtering. The harmless attack in an electrolyte bath constitutes, however, among all these methods, the simplest method to implement in order to obtain a large series of fine and reproducible points.
This anodic attack can for example be carried out using a device of the type shown in FIG. 3, or one can see a tank 1 containing an electrolyte bath 16, in which immerse the free ends of the elements 13 of the blank 10 which constitutes one of the electrodes, and in which also immerse a counterelectrode 17, The blank 10 and the counter-electrode 17 being furthermore connected respectively to one and the other pole of a direct current source 18.
In the case of the pointing of elements 13 made of stainless steel, a bath 16 containing phosphoric acid can be used in a particularly advantageous manner, the counter-electrode then being made of copper. For this purpose one can use for example a bath known commercially under the name of Molectrics, which is maintained at a temperature of about 75 C. It is also possible to use a bath composed of the following elements:
25 cc PO4H3
3 cc S04H2
25 cc glycerin
5 cc H2O
0.5 gr SO4Cu
The pointing process can be controlled by acting on the voltage, the attack time and the immersion depth.
Example of appoitztage:
A blank is used consisting of a comb of 24 stainless steel wires with an initial diameter of 0.2 mm separated by intervals of 2 mm, and a Molectrics bath maintained at 75 C. This blank is subjected to the following operations. following:
Thinning operation intended to reduce the diameter of the wires to a value of less than 0.05 mm: soaking of the wires in the bath at a height of 4 mm with anodic attack for 15 s at 10 V. This first attack results in purpose of cleaning the wires and causing a first cylindrical thinning. This first soak is followed by an alternative succession of soaking of very short duration (approximately 6 soaks at 10 V with an immersion height of 4 mm, each soaking cycle lasting for approximately 4 s).
This alternating succession of soaks has the effect of causing a conical thinning.
- Taper operation intended to obtain the final cone shape: dipping to a height of 1.5 mm followed by an anodic attack of 10 V until the current stops completely (approximately S in batches).
- Final cleaning operation: dipping the comb to a depth of 2 mm, applying a short attack pulse (10 V, 2 s), removing the tips from the bath and finally rinsing with distilled water (for example cold and hot).
This results in a series of very fine cone-shaped points, the apex radius of which is very sharp (5: 1000 A).
The pointing operation is followed by an operation of depositing a thin layer of a material endowed with high field emission properties. The deposition of a thin layer of carbon on each of these points, for example, can be obtained with methods such as electric arc under vacuum or pyrolysis.
With regard to the electric arc method, it is desirable, on the one hand, to present the blank to be coated substantially perpendicular to the direction of the flow of evaporated carbon atoms so as to obtain a layer of thickness regular and maximum along the tip shanks for a minimum amount of consumption of the arc electrodes and, on the other hand, to preheat the blank during the evaporation of carbon at a temperature between 400 and 800 C, from so as to obtain good adhesion of the carbon layer to the tips and to have a carbon layer which has an electrical resistivity of the order of that of solid amorphous carbon. It is in fact known that the thin layers of carbon deposited on a cold substrate exhibit an abnormally high electrical resistivity.
With regard to this vacuum electric arc method, several variants can be used: point electric arc between two carbon electrodes, diffuse electric arc from a carbon cathode with a certain extent, battery of point arcs or battery of diffuse arcs.
The point electric arc method, for example, can be implemented using the device shown in FIG. 4. This device comprises a vacuum chamber 20 equipped with a valve 21 and pumping means 22, in which are arranged two graphite electrodes in the form of a bridge 23 and 24 facing each other. One of the electrodes 23 is connected to ground, while the other electrode 24 is connected to one of the poles of a voltage source 25, the other pole of which is also connected to the trap.
This voltage source 25 can provide a voltage of the order of 40 V and it has a sufficiently low impedance to be able to deliver currents of the order of 30 to 50 A. Below these electrodes 23 and 24 is arranged, perpendicular to the line. direction of the flow of evaporated carbon atoms,
The pointed blank 10, which is mounted on a mechanism (shown diagrammatically by a pin 26) capable of causing it to pivot 180 (pivoting diagrammatically by arrow 27). Between the graphite electrodes 23 and 24 and the blank 10 is moreover disposed a protective grid 28 connected to the trap, intended to capture the residual ionic currents. Finally, below the blank 10 is placed a heating tape 29, the ends of which are connected to a current source 30.
This heating tape 29 is intended to bring the blank 10 during evaporation to a temperature between 400 and 800 C. The blank 10 being conductive, one could of course, if desired, remove the heating tape 29 and heat the blank 10 directly by the Joule effect. The operation of such a device is as follows: first a vacuum is created inside the enclosure 20 (vacuum of the order of 10-5 torr), then the blank 10 is preheated. that this blank has reached the desired temperature, the electrodes 23 and 24 are brought closer to one another and the source 25 is connected so as to cause an electric arc to emerge between these electrodes, then these electrodes are moved away again. one from the other so as to stabilize the electric arc.
The evaporated carbon atoms will then be deposited on the side of the tips of the blank 10 located opposite these electrodes. When the carbon layer has reached the desired thickness, the blank is rotated by 180 so as to cover the other side of the points of this blank (new position of the blank shown in dotted lines in the drawing). Evaporation is stopped when the desired thickness has been obtained. This thickness can be determined by prior calibration.
Fig. 5 illustrates a device for implementing the diffuse electric arc deposition process. This device comprises a vacuum chamber 40 equipped with a valve 41 and pumping means 42, in which are arranged two coaxial electrodes distant from each other, respectively a cylindrical cathode 44 made of graphite, connected via the intermediary a power resistor 35 to the negative pole of a direct current source 45 (the positive pole of which is connected to the trap), and an anode 43 located below the cathode 44 and connected to the trap.
Below this annular anode 43 is arranged the blank 10 mounted in a pivoting mechanism (shown diagrammatically by the axis 46).
Between the anode 43 and the blank 10 is also disposed a protective grid 48 connected to the trap, while a heating tape 49 whose ends are connected to a current source 50 is arranged below the blank. 10. Around the cathode 44 is also disposed an annular ignition member 34, capable of being moved in translation with respect to the cathode 44 and intended to initiate the diffuse electric arc between the cathode 44 and the anode 43. The operation of this device is similar to that described above. By way of example, each side of the blank 10 is subjected to an evaporation of 60 seconds with an arc current of 50 A under a pressure of the order of 10-4 torr.
A regular layer of carbon is obtained on the surface of each of the tips of the blank 10 which has a thickness of the order of 1000.
The use of a diffuse electric arc has the advantage, compared to a point electric arc, of having a reproducible relationship between the arc current and the evaporation flux. This diffuse arc also gives a less directional flow than a point arc, which makes it possible to better coat non-planar surfaces.
The electric arc deposition method can give rise to many variations. It is thus possible, for example, to envisage using a whole battery of point arcs or diffuse arcs in order to carry out coatings in large series. It is also possible to envisage a device for continuously coating the combs, in which the combs to be coated would move in a sort of tunnel equipped with batteries of arcs located on either side of the path followed by the combs (the need to to subject the combs to a pivoting of 180 being thus eliminated).
The pyrolysis method consists in heating the parts to be coated in an atmosphere of an unsaturated hydrocarbon. The carbon deposit is formed by cracking on the hot support.
The network of transmitters according to the invention has the advantage of being able to operate in medium voids with long lifetimes and of being able to be shaped in the form of extremely acute spikes, so as to be able to transmit with emission thresholds. relatively low. Its particular composite structure also allows its production in large series, economically and reproducibly.