EP0052047B2 - Cathode thermo-électronique - Google Patents

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EP0052047B2
EP0052047B2 EP81401713A EP81401713A EP0052047B2 EP 0052047 B2 EP0052047 B2 EP 0052047B2 EP 81401713 A EP81401713 A EP 81401713A EP 81401713 A EP81401713 A EP 81401713A EP 0052047 B2 EP0052047 B2 EP 0052047B2
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EP
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porous body
impregnated
cathode
barium
thermoelectronic
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Pierre Palluel
Arvind Shroff
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Thales SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J1/02—Main electrodes
    • H01J1/13—Solid thermionic cathodes
    • H01J1/20—Cathodes heated indirectly by an electric current; Cathodes heated by electron or ion bombardment
    • H01J1/28—Dispenser-type cathodes, e.g. L-cathode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J23/00—Details of transit-time tubes of the types covered by group H01J25/00
    • H01J23/02—Electrodes; Magnetic control means; Screens
    • H01J23/04—Cathodes

Definitions

  • the present invention relates to a new thermoelectronic cathode structure.
  • Such cathodes find their field of application in electronic tubes, tubes with localized constants such as triodes and tetrodes, or tubes with distributed constants such as klystrons and magnetrons used at microwave frequencies.
  • Another improvement consisted in replacing the reserve of alkaline earth with a ceramic consisting of a mixture of alumina, alkaline earth oxides and tungsten powder.
  • L type cathodes have always had a density of emitted current, at equal temperature, greater than that of so-called impregnated cathodes, even in the best cases when the latter are covered with '' a film of a refractory metal with high output work such as osmium, ruthenium, iridium, rhenium, which tends to increase the current density.
  • thermoelectronic cathode comprising inside a cylindrical envelope, a heating filament located in the lower part of said envelope, and two superposed porous bodies inserted at the top of the envelope.
  • the porous bodies are produced by a mixture comprising by weight 90% of powdered tungsten and 10% of barium carbonate or barium peroxide and carbon, mixture covered with a layer of powdered tungsten sintered during activation. It is therefore not a porous body of the impregnated type and the technique for producing this type of cathode is very complex when it is desired to have doses of known volume and weight.
  • thermo-electronic cathode comprising, inside a cylindrical envelope, a heating filament situated in the lower part of said envelope, and two superposed porous bodies, inserted in the upper part of the envelope, both porous body being constituted by a lower body containing an emissive material, covered with the upper body, the surface of the upper porous body forming the emissive surface of the cathode, characterized in that the lower porous body is a porous body of porosity between 16 and 50% impregnated with the emissive material and the upper porous body is a non-impregnated porous body with porosity between 16 and 21%.
  • FIG. 1 shows an example of a cathode structure "L" of the prior art.
  • a cathode is constituted by a molybdenum tube 1, divided into two cavities; the lower part contains the heating filament 2; the upper part consists of a chamber 3 containing a reserve 4 of barium and calcium carbonates for example.
  • a porous tunstene disc 5 is attached to the top of the barium reservoir, so that the upper cavity communicates outward only through the porous body.
  • the upper face of this disc may include a thin layer 6 of a refractory metal with high output work such as osmium, iridium, rhenium, ruthenium, or an alloy of several of these materials.
  • a refractory metal with high output work such as osmium, iridium, rhenium, ruthenium, or an alloy of several of these materials.
  • FIG. 2 represents an example of a cathode structure impregnated with the prior art.
  • a filament 2 is located inside a molybdenum cylinder 1 containing a body of porous tungsten 7 which is impregnated with barium and calcium aluminates.
  • the upper face of the body 7 can be covered with a thin layer 6 of a refractory metal with high output work from one of those mentioned above.
  • the underside of the body 7 rests on a molybdenum bottom 8 ensuring sealing.
  • FIG. 3 represents an example of a cathode structure according to the invention.
  • the cathode according to the invention consists of a cylindrical molybdenum body 1 inside which is located a filament 2 in its lower part and a set of two porous bodies superimposed in its upper part: a porous body 9 free of all impregnating, with a porosity of between 16 and 21%, made of tungsten or a tungsten alloy and of a refractory metal with high output work such as iridium, rhenium, osmium, ruthenium, porous body of which the front face 10 is the only one through which the emissive material can escape, and a porous body 12 in contact with the rear face 11 of the porous body 9 impregnated with barium and calcium aluminates or a mixture comprising barium aluminates, of calcium and a scandium or barium scandate oxide, this porous body having a porosity of between 16 and 50%, for example.
  • the rear face of the porous body 12 is sealed by conventional means such as the deposition of molybden
  • the front face 10 of the non-impregnated porous body 9 can be covered with a layer of refractory metal with high output work.
  • the porous impregnated body may consist of tungsten impregnated with barium and calcium aluminates, an alloy of tungsten and a refractory metal with high output work impregnated with barium aluminates and calcium or tungsten impregnated with a mixture of barium aluminates and calcium and a scandium oxide.
  • a gap or gap 14 which is filled, in order to improve the thermal contact before placing the porous body 3, either of powder of a conductive metal at high melting temperature, or a grid of molybdenum or tungsten, with a very fine mesh, of pitch 20 Ilm for example, which serves as additional conductance for the diffusion of barium towards the porous body 9, or of a flexible clicking ensuring contact between the bodies cathodes, either using a thread.
  • This gap 14 can be eliminated by making the assembly by pressing.
  • the porous body 9 generally has a curved shape obtained by machining or by pressing.
  • the operating mechanism of this type of cathode is as follows: the free barium is produced in the porous body 12 by heating the assembly using the filament 2, by chemical reaction between the impregnating agent and the tungsten.
  • This barium then migrates through the pores of the body 3 from the face 11 to the face 10 where it covers its surface, thus lowering the work of leaving it.
  • An electrode placed opposite the cathode, at a certain distance, and brought to a positive potential with respect to the cathode, collects the electrons emitted by the latter.

Landscapes

  • Solid Thermionic Cathode (AREA)
  • Microwave Tubes (AREA)

Description

  • La présente invention concerne une nouvelle structure de cathode thermoélectronique. De telles cathodes trouvent leur domaine d'application dans les tubes électroniques, tubes à constantes localisées comme les triodes et les tétrodes, ou tubes à constantes réparties comme les klystrons et les magnétrons utilisés en hyperfréquences.
  • La puissance développée parles tubes électroniques à des hyperfréquences très élevées est limitée notamment par la densité de courant produite par la cathode.
  • Il existe depuis longtemps des cathodesthermo- électronique à réserve de matière émissive connues sous le nom de cathodes "L".
  • Elles sont constituées par un tube en molybdène divisé en deux cavités; lar partie inférieure contient l'élément chauffant; la partie supérieure comporte un mélange de carbonate de baryum et de calcium, par exemple, et fonctionne comme un réservoir de baryum un disque de tungstène poreux est fixé au sommet du réservoir de baryum, de sorte que la cavité supérieure ne communique vers l'extérieur qu'à travers le corps poreux. Le défaut de ce système est qu'il faut transformer les carbonates en oxydes, opération longue à cause des gaz de réactions qui ne peuvent s'échapper qu'à travers le tungstène poreux.
  • Une amélioration du présent état de fait a été apportée par l'utilisation directe d'oxydes d'alcalino-terreux et non plus de carbonates; cependant, cette amélioration a amené une autre difficulté importante, celle de la réalisation pratique et du stockage de telles cathodes, du fait de la grande réactivité des oxydes alcalino-terreux avec l'air ambiant.
  • Une autre amélioration a consisté à remplacer la réserve d'alcalino-terreux par une céramique constituée d'un mélange d'alumine, d'oxydes alcalino-terreux et de poudre de tungstène.
  • Les problèmes technologiques des cathodes à réserve ont conduit l'homme de l'art à utiliser dans la pratique les cathodes dites imprégnées constituées par une matrice en tungstène imprégnées d'aluminates de baryum et de calcium, dans des proportions variables. Un type de cathodes imprégnées est décrit, par exemple, dans la DE-A-2 808 134. La cathode décrite dans cette demande est constituée par un corps accumulateur poreux comportant au moins deux couches dans les pores duquel est emmagasinée une matière émissive, les deux couches pouvant avoir des porosités indentiques ou différentes. La matière émissive étant imprégnée dans les deux couches, cette cathode fonctionne comme une cathode imprégnée constituée par une matrice en une seule couche.
  • Cependant, d'après les résultats connus actuellement, les cathodes de type "L" ont toujours présenté une densité de courant émis, à température égale, supérieure à celle des cathodes dites imprégnées, même dans les meilleurs des cas quand ces dernières sont recouvertes d'un film d'un métal réfractaire à haut travail de sortie comme l'osmium, le ruthénium, l'iridium, le rhénium, ce qui tend à augmenter la densité de courant.
  • On connait aussi d'après le brevet FR-A-1 093 241, une cathode thermo-électronique comprenant à l'intérieur d'une enveloppe cylindrique, un filament chauffant situé dans la partie inférieure de ladite enveloppe, et deux corps poreux superposés insérés dans la partie supérieure de l'enveloppe. Toutefois, comme mentionné page 2, colonne de gauche du brevet FR-A-1 093 241, les corps poreux sont réalisés par un mélange comportant en poids 90% de tungstène pulvérulent et 10% de carbonate de baryum ou de peroxyde de baryum et de carbone, mélange recouvert d'une couche de tungstène pulvérulent fritté lors de l'activation. Il ne s'agit donc pas de corps poreux du type imprégné et la technique de réalisation de ce type de cathode est très complexe lorsque l'on désire avoir des doses de volume et de poids connus.
  • Partant de ces constatations, la Demanderesse se propose de réaliser une structure de cathode dont la dénsité de courant est au moins égale à celle des cathodes "L", mais qui ne présenterait pas les difficultés de réalisation technologique de ces dernières, ni des autres types de cathodes décrits ci-dessus.
  • La présente invention concerne une cathode thermo-électronique comprenant à l'intérieur d'une enveloppe cylindrique, un filament chauffant situé dans la partie inférieure de ladite enveloppe, et deux corps poreux superposés, insérés dans la partie supérieure de l'enveloppe, les deux corps poreux étant constitués par un corps inférieur contenant une matière émissive, recouvert du corps supérieur, la surface du corps poreux supérieur formant la surface émissive de la cathode, caractérisée en ce que le corps poreux inférieur est un corps poreux de porosité comprise entre 16 et 50% imprégné par la matière émissive et le corps poreux supérieur est un corps poreux non-imprégné de porosité comprise entre 16 et 21%.
  • Les avantages d'une telle cathode par rapport aux cathodes connues dans l'art antérieur sont:
    • sa réalisation technologique non complexe ne nécessitant pas d'appareillage compliqué tel que machine de transfert évitant la mise à l'air des oxydess;
    • son stockage en atmosphère neutre, les aluminates ne nécessitant pas de précautions excessives;
    • en fonctionnement, une évaporation non excessive au début de la durée de vie du fait que la zone où le baryum est créée est éloignée de la surface, et que le chemin à franchir par le baryum est toujours le même; cette vitesse d'évaporation se maintient dans le temps du fait de la constance de cette distance;
    • l'émission électronique qui résulte du recouvrement en baryum est équivalent sinon supérieure à celle des cathodes imprégnées utilisant un matériau poreux analogue.
  • L'invention sera mieux comprise en se reportant à la description suivante illustrée par les figures jointes qui représentent:
    • figure 1: un exemple de cathode "L" de l'art antérieur;
    • figure 2: un exemple de cathode imprégnée de l'art antérieur;
    • figure 3: un exemple de cathode selon l'invention.
  • La figure 1 représente un exemple de structure de cathode "L" de l'art antérieur. Une telle cathode est constituée par un tube en molybdène 1, divisé en deux cavités; la partie inférieure contient le filament chauffant 2; la partie supérieure est constituée d'une chambre 3 contenant une réserve 4 de carbonates de baryum et de calcium par exemple.
  • Un disque de tunstène poreux 5 est fixé au sommet du réservoir de baryum, de sorte que la cavité supérieure ne communique vers l'extérieur qu'à travers le corps poreux.
  • La face supérieure de ce disque peut comporter une mince couche 6 d'un métal réfractaire à haut travail de sortie tel l'osmium, l'iridium, le rhénium, le ruthénium, ou un alliage de plusieurs de ces matériaux.
  • Le défaut de ce système est qu'il fait transformer les carbonates en oxydes, opération longue à cause de gaz de réactions qui ne peuvent s'échapper qu'à travers le tunstène poreux.
  • La figure 2 représente un exemple de structure de cathode imprégnée de l'art antérieur. Sur la figure 2, un filament 2 se trouve à l'intérieur d'un cylindre en molybdène 1 contenant un corps en tungstène poreux 7 qui est imprégné d'aluminates de baryum et de calcium. La face supérieure du corps 7 peut être recouverte d'une mince couche 6 d'un métal réfractaire à haut travail de sortie parmi l'un de ceux cités précédemment. La face inférieure du corps 7 repose sur un fond en molybdène 8 assurant l'étanchéite.
  • La figure 3 représente un exemple de structure de cathode selon l'invention.
  • La cathode selon l'invention est constituée d'un corps cylindrique en molybdène 1 à l'intérieur duquel est situé un filament 2 dans sa partie inférieure et un ensemble de deux corps poreux superposés dans sa partie supérieure: un corps poreux 9 libre de tout imprégnant, de porosité comprise entre 16 et 21%, en tungstène ou en alliage de tungstène et d'un métal réfractaire à haut travail de sortie tels l'iridium, le rhénium, l'osmium, le ruthénium, corps poreux dont la face avant 10 est la seule par laquelle la matière émissive peut s'évacuer, et un corps poreux 12 en contact avec la face arrière 11 du corps poreux 9 imprégné d'aluminates de baryum et de calcium ou d'un mélange comprenant des aluminates de baryum, de calcium et un oxyde de scandium ou de scandate de baryum, ce corps poreux ayant une porosité comprise entre 16 et 50%, par exemple. La face arrière du corps poreux 12 est rendue étanche par les moyens classiques tels que le dépôt de brasure Molybdène-Ruthénium, ou en reposant sur un fond en molybdène 13.
  • De plus, il est possible de recouvrir la face avant 10 d'une couche 15 obtenue en déposant par phase vapeur du tungstène orienté par exemple, laissant apparaître un reliéf d'îlots successifs sur lesquels on dépose un revêtement anti-émissif 16 d'un matériau à haut travail de sortie.
  • Selon un autre mode de réalisation, la face avant 10 du corps poreux non imprégné 9 peut être recouvert d'une couche d'un métal réfractaire à haut travail de sortie.
  • A titre d'exemples, le corps poreux imprégné peut être constitué par du tungstène imprégné d'aluminates de baryum et de calcium, un alliage de tungstène et d'un métal réfractaire à haut travail de sortie imprégné d'aluminates de baryum et de calcium ou du tungstène imprégné d'un mélange d'aluminates de baryum et de calcium et d'un oxyde de scandium.
  • Il existe entre les corps poreux 9 et 12 un intervalle ou gap 14, qui est rempli, afin d'améliorer le contact thermique avant mise en place du corps poreux 3, soit de poudre d'un métal conducteur à température de fusion élevée, soit d'un grille en molybdène ou en tungstène, à maille très fine, de pas 20 Ilm par exemple, qui sert de conductance supplémentaire à la diffusion du baryum vers le corps poreux 9, soit d'uyn cliquant souple assurant un contact entre les corps de cathodes, soit à l'aide d'un filtage. Ce gap 14 peut être supprimé en réalisant l'ensemble par pressage.
  • Le corps poreux 9 a généralement une forme galbée obtenue par usinage ou par pressage.
  • D'autres formes de réalisation sont possibles comme l'utilisation dans un magnétron ou un gyrotron.
  • Le mécanisme de fonctionnement de ce type de cathode est le suivant: le baryum libre est produit dans le corps poreux 12 par chauffage de l'ensemble à l'aide du filament 2, par réaction chimique entre l'imprégnant et le tungstène.
  • Ce baryum migre ensuite à travers les pores du corps 3 depuis la face 11 jusqu'à la face 10 où il vient recouvrir sa surface, abaissant ainsi le travail de sortie de celle-ci.
  • Une électrode, non représentée sur la figure 3, placée vis à vis de la cathode, à une certaine distance, et portée à un potentiel positif par rapport à la cathode, recueille les électrons émis par cette dernière.

Claims (7)

1. Cathode thermo-électronique comprenant à l'intérieur d'une enveloppe cylindrique (1), un filament chauffant (2) situé dans la partie inférieure de ladite enveloppe, et deux corps poreux superposés, insérés dans la partie supérieure de l'enveloppe, les deux corps poreux étant constitués par un corps inférieur (12) contenant une matière émissive, recouvert du corps supérieur (9), la surface du corps poreux supérieur formant la surface émissive de la cathode, caractérisée en ce que le corps poreux inférieur est un corps poreux de porosité comprise entre 16 et 50% imprégné par la matière émissive et le corps poreux supérieur est un corps poreux non-imprégné de porosité comprise entre 16 et 21%.
2. Cathode thermo-électronique suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'une poudre d'un métal conducteur à température de fusion élevée est prévue entre le corps poreux imprégné (12) et le corps poreux non-imprégné (9).
3. Cathode thermo-électronique suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'une grille en molybdène ou en tungstène à maille très fine est prévue entre le corps poreux imprégné (12) et le corps poreux non-imprégné (9).
4. Cathode thermo-électronique suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'un clinquant souple est prévu entre le corps poreux imprégné (12) et le corps poreux non-imprégné (9).
5. Cathode thermo-électronique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le corps poreux imprégné est imprégné d'un mélange d'aluminates de baryum et de calcium et d'un oxyde de scandium.
6. Cathode thermo-éiectronique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le corps poreux non-imprégné (9) est recouvert d'une couche de tungstène (15) présentant des parties en creux et des parties en relief.
7. Cathode thermo-électronique suivant la revendication 6, caractérisée en ce que lesdites parties en relief sont recouvertes d'un matériau réfractaire à haut travail de sortie (16).
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EP0052047A1 EP0052047A1 (fr) 1982-05-19
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