FR2471666A1 - Canon electronique a courant de faisceau ajustable et de densite uniforme - Google Patents

Abstract

CANON ELECTRONIQUE A LARGE FAISCEAU A COURANT AJUSTABLE ET DE DENSITE UNIFORME. LE CANON ELECTRONIQUE COMPORTE UNE CATHODE PLANE 11 ET, PERIPHERIQUEMENT A CELLE-CI, DANS SON PLAN, UNE PREMIERE GRILLE 12 ET UNE SECONDE GRILLE 13 EN FORME D'ANNEAU PLAN AINSI QU'UNE ANODE 14 CYLINDRIQUE D'AXE 10 PERPENDICULAIRE AUX CATHODE ET GRILLES ET DONT L'UNE DES BASES 15, DE DIMENSIONS VOISINES DE CELLES DU CONTOUR EXTERIEUR DE LA SECONDE GRILLE, EST PLACEE A PROXIMITE DE CETTE DERNIERE. LES POTENTIELS DES GRILLES PAR RAPPORT A CEUX DE CATHODE ET D'ANODE SONT FIXES ET REGLABLES ET FONCTION DE LA VALEUR DU COURANT DE FAISCEAU DESIREE. LE FAISCEAU EMIS EST LAMINAIRE, DE DIMENSIONS CONSTANTES ET DE DENSITE ELECTRONIQUE UNIFORME DANS CHAQUE SECTION NORMALE, LORSQUE LE COURANT DE FAISCEAU VARIE. APPLICATION: AMPLIFICATION DU BOMBARDEMENT ELECTRONIQUE D'UN SEMI-CONDUCTEUR.

Description

La présente invention concerne un canon à électrons délivrant un large faisceau laminaire de courant réglable indépendamment de la tension d'anode, la section normale dudit faisceau restant de géométrie constante en tout point le long du faisceau et la densité électronique uniforme dans ladite section normale, au cours du réglage du courant. La présente invention concerne aussi l'application de ce canon au bombardement d'une cible. Tout particulièrement, dans cette application, la cible est une plaquette de matériau semiconducteur placée normalement au faisceau, lequel est défléchi périodiquement à haute fréquence et balaie alternativement la surface de la cible permettant ainsi la constitution à l'aide du canon d'un amplificateur de puissance à grande linéarité.

Le brevet américain No 3 740 Q07 décrit un canon à électrons dont le but est de délivrer un faisceau d'électrons laminaire. Ce canon, dont la constitution rappelle celle du canon de Pierce, comporte autour de sa cathode une grille qui présente une surface en forme de tronc de cône dont la section inférieure, plus grande que la surface d'émission de cathode, est placée dans le plan de celle-ci, la surface latérale de ladite grille faisant un angle aigu avec ladite surface d'émission. Une anode de type annulaire fait suite à cette grille, laquelle anode comporte à son entrée une surface parallèle à la grille percée d'un orifice de dimensions analogues à celles de la cathode.Ladite anode est à un potentiel électrique positif de l'ordre de quelques centaines de volts par rapport à la cathode, tandis que le potentiel de la grille est voisin de celui de la cathode. Si le faisceau d'électrons émis par la surface de la cathode est laminaire lorsque la grille, comme dans le canon de Pierce est au potentiel de la cathode, il ne peut en être de même lorsque la grille est négative.En effet, du fait de la géométrie des électrodes, l'équipotentielle V = 0 à l'intérieur du canon, correspondant au potentiel de la cathode,se referme sur la cathode et le champ n'est plus uniformément normal à la cathode, ses variations en intensité et direction s'accompagnant d'une variation de la surface émissive. I1 s'ensuit qu'il est impossible de régler le courant du faisceau dans une grande gamme de valeurs tout en conservant constante la géométrie des sections normales du faisceau le long de celui-ci avec densité uniforme dans chacune desdites sections.

I1 faut remarquer de plus que, dans ce canon, la section de faisceau disponible au sortir de l'espace cathode anode n'est guère plus grande que la surface de cathode. L'obtention d'un large faisceau laminaire nécessiterait de proportionner en conséquence la surface émissive de cathode et également les moyens de chauffage de celle-ci.

Dans le canon électronique décrit dans le brevet américain NO 2 131 563, le faisceau d'électrons se trouve avoir une section dedimensions plus larges que celles de surface émissive de cathode du fait de la présence de l'anneau de garde entourant celle-ci mais, dans ce brevet, il n'est pas indiqué de moyens ou structures d'électrodes pour obtenir un faisceau laminaire et régler le courant due faisceau sans modifier la géométrie des sections normales dudit faisceau le long de celui-ci, la densité électronique étant uniforme dans chacune desdites sections.

L'invention répond au contraire simultanément à plusieurs buts.

L'un de ces buts est d'obtenir un faisceau d'électrons laminaire, de section dont les dimensions sont beaucoup plus grandes que celles de la surface émissive de cathode. A titre d'exemple, cette cathode est choisie parmi celles d'usage standard pour tube à rayons cathodiques et dont le diamètre de surface émissive est de l'ordre de 1 à 2 mm, les moyens à mettre en oeuvre pour le chauffage de la cathode se trouvant de ce fait minimisés.

Un autre but de l'invention est encore de pouvoir disposer d'un faisceau laminaire d'électrons dont on puisse régler le courant tout en conservant constante la géométrie des sections normales du faisceau le long de celui-ci, la densité électronique étant uniforme dans chacune desdites sections.

Un autre but de l'invention est d'effectuer ce réglage de courant de faisceau sans pratiquement modifier l'énergie des électrons qui le constituent, c'est-à-dire en conservant constant le potentiel électrique d'anode.

Un autre but de l'invention est enfin de commander le courant de faisceau à l'aide d'une faible amplitude de signal, cette commande pouvant consister dans le déblocage par impulsions brèves de l'émission d'électrons par la cathode.

Pour cela l'invention abandonne la géométrie de canon à électrons de type Pierce selon le brevet américain NO 3 740 607 et retient la présence d'un anneau de garde autour de la cathode comme indiqué dans le brevet américain NO 2 131 563.

Dans le canon à électrons selon l'invèntion, il est créé au niveau de la cathode une lentille divergente de manière à élargir dès sa naissance le faisceau d'électrons, celui-ci ayant alors en tout point une section normale de dimensions plus grandes que celles de la cathode. Cette lentille divergente est obtenue à l'aide d'électrodes, anode et grilles, portées à certaines valeurs de potentiel électrique par rapport à la cathode telles, qu'en liaison avec la géométrie et les positions respectives desdites électrodes l'une par rapport à l'autre et par rapport à la cathode, la densité électronique est uniforme dans chaque section normale du faisceau le long de celui-ci.Pour faire varier le courant du faisceau, il est possible de faire varier les potentiels de grille à potentiel d'anode constant sans que les surfaces équipotentielles devant la cathode soient notablement déformées, mais essentiellement déplacées, d'où il résulte que la géométrie des sections normales du faisceau n'est pas notablement modifiée et que la densité électronique reste uniforme dans ces sections, l'énergie des électrons émis étant, par ailleurs, pratiquement conservée constante en sortie de canon.

Plus précisément, le canon à électrons selon l'invention est remarquable en ce qu'il comporte une cathode plane dans le plan de laquelle sont disposées périphériquement à celle-ci, successivement, une première grille, et une seconde grille chacune en forme d'anneau plan et une anode en forme de cylindre, d'axe perpendiculaire aux cathode et grilles et dont la section normale à l'axe est de dimensions voisines de celles du contour extérieur de ladite deuxième grille, l'une des bases dudit cylindre d'anode étant à proximité de la deuxième grille, lesdites grilles étant portées à des potentiels électriques fixes et réglables en rapport avec le potentiel de la cathode et celui de l'anode et fonction de la valeur du courant de faisceau désirée, un potentiel électrique de commande pouvant éventuellement se superposer à l'un desdits potentiels fixes et réglables.

Dans ce qui suit le potentiel de la cathode est prix pour référence et a pour valeur 0. Selon une première variante du canon selon l'invention, le potentiel de la première grille est celui de la cathode, tandis que le potentiel de la deuxième grille, qui sert au réglage du courant de faisceau à la valeur désirée, prend de ce fait une valeur fixe appartenant à un domaine s'étendant depuis des valeurs négatives jusqu'à des valeurs positives, la valeur choisie dépendant du courant de faisceau.Selon cette variante, il est obtenu contrairement à l'art antérieur, que la surface équipotentielle de valeur O correspondant au potentiel de cathode ne se referme pas sur celle-ci, quel que soit le courant de faisceau, mais plutôt sur ladite première grille et plus ou moins loin de la cathode selon que le courant de faisceau est plus ou moins élevé, c'est-à-dire que le potentiel des ladite seconde grille est de moins en moins grand en valeur algébrique, d'où il résulte que le faisceau d'électrons a bien les propriétés recherchées selon l'invention.

Selon une seconde variante, le potentiel de la seconde grille par rapport à la cathode est à une des valeurs fixes choisies selon la première variante, tandis que le potentiel de la première grille correspond à celui d'impulsions isolées ou périodiques le faisant passer temporellement d'une valeur fortement négative à une valeur faible voisine de celle de potentiel de cathode. Le fonctionnement de cette variante correspond à une' modulation du courant de faisceau par tout ou rien.Pendant cette modulation, l'équipotentielle de valeur O ne se referme pas sur le plan de cathode, même au cours des périodes de blocage, ou tout au plus au centre de cette dernière lorsque le potentiel de la première grille correspond au "cut off" de l'émission d'électrons, tandis, qu'en période d'émission, le faisceau d'électrons a les mêmes propriétés recherchées de section, densité électronique et énergie que selon la première variante.

Selon une application du canon précédent le faisceau issu de celui-ci est fortement accéléré en évitant une trop grande action focalisatrice, le faisceau devant conserver une section large et bien définie jusqu'à une cible, une plaquette de matériau semiconducteur de grande surface par exemple, et ceci sur un parcours suffisamment long pour que sa déflexion électrostatique à l'aide d'une tension électrique UHF puisse se faire avec une sensibilité convenable, le faisceau devant balayer ladite plaquette de matériau semiconducteur en UHF.

L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'un mode de réalisation selon plusieurs variantes, ladite description étant accompagnée de dessins qui représentent
- figure 1 = une coupe schématique par un de ses plans de symétrie du canon électronique de l'invention selon une première variante d'exécution, les potentiels des électrodes étant dans un premier état.

- figure 2 : la même coupe, les potentiels des électrodes étant dans un second état.

- figure 3 : une coupe schématique par un de ses plans de symétrie du canon électronique de l'invention selon une seconde variante d'exécution, les potentiels étant dans un premier état.

- figure 4 : la même coupe, les potentiels des électrodes étant dans un second état.

- figure 5 : l'application du canon électronique de lVin- vention au bombardement d'une cible.

La géométrie du canon apparaît en particulier sur la figure 1. Sur cette figure, est représenté sous le repère 10, l'axe de symétrie de révolution du tube. La surface émissive plane de cathode porte le repère 11. Successivement, autour de la surface 11, et dans son plan, se trouvent une première grille 12 en forme d'anneau plan et une seconde grille 13 également en forme d'anneau plan. Sous le repère 14, est représentée une anode cylindrique. La base 15 de cette anode se trouve à proximité de la grille 13. Son diamètre est très voisin de celui de ladite grille 13.

Selon un exemple de réalisation, les dimensions des électrodes sont les suivantes : diamètre de la cathode, 1,8 mm ; diamètre intérieur de la grille 13, 7,6 mm (le diamètre extérieur n'étant pas critique et pouvant être aussi grand que l'on veut) ; diamètre de la base 15, 11 mm, cette base étant placée à 1 mm du plan de cathode.

Les figures 1 et 2 correspondent à une première variante du canon pour laquelle le potentiel de la première grille 12 est celui de la cathode, tandis que le potentiel de la deuxième grille 13,qui sert au réglage du courant de faisceau à la valeur désirée, prend de ce fait une valeur appartenant à un domaine s'étendant depuis des valeurs négatives jusqu'à des valeurs positives, la valeur choisie dépendant du courant du faisceau. Sur la figure 1, cette grille 13 est au potentiel de la cathode, l'anode étant de son côté à un potentiel positif de l'ordre de quelques centaines de volts (300 v par exemple).

Les lignes en pointillés 20 à 23 montrent, dans le plan de coupe de la figure, d'une manière stylisée, l'allure des lignes équipotentielles de la lentille divergente créée à l'intérieur du canon au sortir de la cathode. L'ordre de numérotation des équipotentielles croit avec le potentiel. La ligne 20 est l'équipotentielle de potentiel 10 v, tandis que lséquipotentielle 23 est proche de 300 v, les potentiels des lignes 21 et 22 sont intermédiaires entre 10 et 300 v. Compte tenu de la convexité des lignes équipotentielles, le faisceau d'électrons émis est divergent et contenu à l'intérieur des lignes 24 et 25 représentant les trajectoires moyennes des électrons aux frontières du faisceau.La figure 2 montre l'allure des équipotentielles à l'intérieur du canon lorsque, toutes choses égales par ailleurs, la grille 13 est portée à un potentiel assez fortement négatif par rapport à la cathode, par exemple -100 v. Apparaissent en plus des équipotentielles 20 à 23 de la figure 1, les équipotentielles 17, 18 et 19. L'équipotentielle 17 correspond au potentiel de la cathode et les équipotentielles 18 et 19 correspondent à des potentiels intermédiaires entre 0 et 10 v. L'équipotentielle 17 de potentiel 0 se referme sur la grille 12, tandis que les autres équipotentielles présentent, comme sur la figure 1, une partie plate face à la cathode.Du fait du peu de déformation des équipotentielles face à la cathode et de ce que les variations envisagées pour le courant correspondent à des variations négligeables pour le champ électrique radial dû à la charge d'espace, le faisceau d'électrons conserve les frontières 24 et 25 de la figure 1, autrement dit la géométrie des sections normales du faisceau est constante le long de celui-ci lorsque le courant du faisceau varie.

Selon une deuxième variante, le potentiel de la grille 13 est celui de la première variante, c'est-à-dire qu'il est, soit nul et égal à celui de la cathode, soit porté à une valeur appartenant à un domaine s'étendant depuis des valeurs négatives jusqu'à des valeurs positives. La grille 12 se trouve portée à un potentiel variable dans le temps assurant des périodes de blocage et de déblocage de l'é- mission des électrons dans le canon. Sur les figures 3 et 4 relatives cette seconde variante de réalisation du canon, le potentiel de la1 grille 13 est à titre d'exemple, celui de la cathode, tandis que le potentiel de la grille 12 est comme indiqué dans ce qui suit.La figure 3 indique l'allule des équipotentielles lorsque le potentiel de la grille 12 est fortement négatif par rapport à la cathode, par exemple de l'ordre de -130 v, le potentiel d'anode étant pour sa part 300 v.

L'équipotentielle 17 correspondant au potentiel de cathode présente deux lobes symétriques ne se refermant pas sur la surface 11 de cathode et enveloppant devant celle-ci un espace ob le potentiel est négatif, si bien que l'émission d'électrons se trouve bloquée. Lorsqu'on augmente le potentiel de la grille 12, les lobes de l'équipotentielle 17 tendent à se déformer et à se refermer sur la cathode en un point A, comme représenté sur la figure 4, par exemple pour la valeur -100 v.

L'existence de ce point A correspond au "cut off" de l'émission d'électrons. Lorsque le potentiel de la grille 12 s'élève au-dessus de cette valeur, 1'équipotentielle 17 tend à se confondre avec le plan de cathode comme dans le cas de la figure 1 ou à se détacher des bords de celle-ci, comme sur la figure 2, l'émission d'électrons pouvant alors se produire sous la forme d'un faisceau divergent et laminaire semblable à ceux des figures 1 et 2. Selon cette variante, le potentiel est appliqué à la grille 12 sous forme d'impulsions isolées ou périodiques faisant passer le potentiel de ladite grille de fortement négatif (-130 v par exemple) à une valeur nulle ou faiblement positive et assurant ainsi un blocage et un déblocage de l'émission d'électrons. Le canon selon cette variante présente l'avantage d'être déclenché avec une tension de commande faible, en raison de la proximité de la grille 12 par rapport à la cathode.

La figure 5 indique une application du canon selon l'inven vention, sous la forme de l'une ou l'autre de ses variantes d'exécution, au bombardement électronique d'une cible de matériau semiconducteur. On retrouve sur cette figure le canon a électron avec ses éléments 11, 12, 13, 14 et le faisceau de frontières 24, 25. De manière à obtenir un faisceau de section rectangulaire, un diaphragme rectangulaire 31 est introduit perpendiculairement à l'axe du faisceau en coincidence avec la surface équipotentielle correspondant au potentiel de l'anode 14. De cette manière le diaphragme perturbe peu les trajectoires des électrons. Par ailleurs, ce diaphragme n'étant pas à une tension très élevée par rapport à la cathode, la puissance dissipée par interception de faisceau y est faible.Les frontières du faisceau au sortir du diaphragme sont 32 et 33. Le faisceau subit alors une forte accélération dans un espace post-accélérateur et focalisateur constitué par un système 34 connu en soi et non complètement représenté entre les traits ondulés 35 et 36. Le faisceau, au sortir du système 34, est défléchi au moyen d'un déflecteur 37 (plaques ou ligne à propagation d'onde) le faisceau venant balayer et bombarder alternativement une ou plusieurs cibles semiconductrices rectangulaires, par exemple venant bombarder alternativement les cibles 38 et 39 disposées symétriquement par rapport à l'axe 10, lorsque les plaques 37 sont excitées par un potentiel UHF, l'émission d'électrons étant continue ou impulsionnelle selon la variante de canon utilisée. La densité électronique dans la section du faisceau, au niveau des plaquettes semiconductrices étant uniforme, chaque élément de plaquette reçoit, au cours du balayage une même quantité d'électrons, proportionnelle à l'amplitude du signal de balayage. De ce fait, le premier étage de l'amplificateur réalisé, mettant de plus à profit la grande largeur du faisceau, se trouve présenter une haute linéarité et une grande dynamique.

Claims (6)

REVENDICATIONS

1. Canon à électrons, caractérisé en ce qu'il comporte une

cathode plane dans le plan de laquelle sont disposées périphériquement

à celle-ci, successivement, une première grille et une seconde grille

en forme d'anneau plan et une anode en forme de cylindre d'axe perpen

diculaire aux cathode et grilles, et dont la section normale est de

dimensions voisines du contour extérieur de ladite deuxième grille, l'une

des bases dudit cylindre d'anode étant à proximité de la deuxième grille,

lesdites grilles étant portées à des potentiels électriques fixes et

réglables en rapport avec le potentiel de la cathode et celui de l'anode

et fonction de la valeur du courant de faisceau désirée, un potentiel

de commande pouvant éventuellement se superposer à l'un desdits poten

tiels fixes et réglables.

2. Canon à électrons selon la revendication 1, caractérisé

en ce que le potentiel électrique de ladite première grille est celui

de la cathode, tandis que le potentiel électrique par rapport à la

cathode de ladite deuxième grille, qui sert au réglage du courant de

faisceau à la valeur désirée, prend de ce fait une valeur appartenant

à un domaine s'étendant depuis des valeurs négatives jusqu'à des valeurs

positives, -la valeur choisie dépendant du courant de faisceau.

3. Canon à électrons selon la revendication 1, caractérisé

en ce que le potentiel de ladite deuxième grille par rapport à la ca

thode est à une des valeurs choisies selon la revendication 2, tandis

que celui de la première grille correspond à celui d'impulsions de com

mande isolées ou périodiques le faisant passer d'une valeur fortement né

gative à une valeur voisine de celle du potentiel de cathode.

4. Application du canon selon l'une des revendications 1 à 3,

caractérisé en ce que le faisceau est fortement accéléré puis défléchi

à l'aide d'une source de tension alternative, puis balaie et bombarde

une cible de surface de même ordre de grandeur que la section du fais

ceau.

5. Application selon la revendication 4, caractérisée en ce

que la cible est une plaquette de matériau semiconducteur et la source

de tension une source UHF.

6. Amplificateur obtenu par mise en oeuvre de l'application selon la revendication 5.