WO2014095888A1 - Electronic optical device - Google Patents

Electronic optical device Download PDF

Info

Publication number
WO2014095888A1
WO2014095888A1 PCT/EP2013/076935 EP2013076935W WO2014095888A1 WO 2014095888 A1 WO2014095888 A1 WO 2014095888A1 EP 2013076935 W EP2013076935 W EP 2013076935W WO 2014095888 A1 WO2014095888 A1 WO 2014095888A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cathode
anode
cold cathode
electrons
electric field
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/076935
Other languages
French (fr)
Inventor
Frédéric Andre
Original Assignee
Thales
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thales filed Critical Thales
Publication of WO2014095888A1 publication Critical patent/WO2014095888A1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00Details 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
    • H01J1/02Main electrodes
    • H01J1/30Cold cathodes, e.g. field-emissive cathode

Definitions

  • the invention is aimed essentially at microwave amplifiers for telecommunication satellites and space probes, but can also be applied to other areas of microwave or vacuum electronics.
  • the paramount parameters for microwave amplifiers are electrical efficiency, reliability, bandwidth, size and mass.
  • the first microwave link was made between the Moon and the Earth, using a Cross Field Amplifier, in English (CFA).
  • CFA Cross Field Amplifier
  • the term "cross-field amplifier” means an apparatus in which the amplification is obtained using a constant magnetic field perpendicular to the electric field.
  • the CFAs developed at the time include secondary emission cathodes for which the emission of electrons is induced by a flow of electrons. However, the coefficient of retransmission of this type of cathode drops very rapidly over time.
  • a first alternative is the replacement of secondary emission cathodes such as a thermoelectronic emission cathode.
  • cathode with thermoelectronic emission means a conductive surface from which electrons are extracted by application of an electric field. When brought to high temperature, electrons are released in the vacuum. However, when the emitting surface of this type of cathode is very large, the heating power required for such a cathode is very important which degrades the electrical yield unacceptably.
  • TOP traveling wave tubes
  • X-ray tubes electrons are accelerated by a high voltage to a target. During their impact on the target, the electrons emit X radiation. The electron flow is focused by a succession of lenses so that the electron impact spot is of the smallest possible size so as to improve the resolution of the electrons. image X, as is the case for a mammogram.
  • the proposed solutions are based on a switching of the high voltage or switching of the heating of the cathode.
  • the switching of the high voltage is slow because of the very high electrical potential to be switched, typically of the order of several tens of kilovolt, and the switching of the heating is limited by the thermal inertia of the cathode.
  • thermoelectronic cathode of X-ray tubes with a field effect cathode.
  • the X-ray tubes using field effect cathodes are limited in current and therefore also in X-ray intensities.
  • cathode-type field effect cathodes with carbon nanotubes or "Carbon Nano Tube” ( CNT) in English, have a maximum current density of 0.1 to 1 A.cm "2 for reliable operation.
  • this type of cathode requires the use of a control gate whose integration
  • the control gate and the CNTs are ionically bombarded by the ionization of the residual gas in the tube and the gate intercepts a large fraction of the electrons emitted by the CNTs.
  • An object of the invention is to provide an electronic optics for generating a very dense electron beam for pulsed emission from a cold cathode without resorting to the use of a control gate. According to one aspect of the invention, there is provided an electron optical device for generating an electron beam.
  • the electronic optical device comprises a cold cathode extending in a main direction, an anode disposed substantially opposite the cold cathode, a substrate extending the cold cathode in the main direction and a permanent magnet, means for generating a difference of electrical potentials between the anode and the cold cathode are adapted to generate a macroscopic electric field for extracting electrons from the cold cathode, the magnetic field generated by the permanent magnet being adapted to redirect the electrons extracted from the cold cathode to the cold cathode, the electrons drifting in the direction of the main direction until leaving a volume located between the cold cathode and the anode, the magnetic field being perpendicular to the macroscopic electric field.
  • Such a device makes it possible to obtain high current densities from a cathode with carbon nanotubes, typically of the order of 20 mm long and less than 1 mm wide.
  • the cold cathode is a cathode comprising carbon nanotubes.
  • the device further comprises a laser control means adapted to modulate the operation of the cathode.
  • a ratio between the height in a direction perpendicular to the main direction of a carbon nanotube and the diameter of a nanotube is between 100 and 1000.
  • the ratio between the height of the nanotube and the diameter determines the beta factor.
  • the local electric field at the tip of the CNT, which determines the emission intensity of this CNT by field emission, is equal to the macroscopic field amplified by this beta factor.
  • a high beta factor makes it possible to limit the standard of the electric field to be applied to reach the desired emission intensity, and thus to reduce the risk of electrical breakdown between the cathode and the anode.
  • the distance between two carbon nanotubes is equal to the order of magnitude of the height of the nanotubes, which ensures a better compromise between the emitted current and the beta factor defining the standard of the electric field to be applied.
  • a face of the anode is located substantially opposite the surface of the cathode which allows easier extraction of the electrons.
  • the face of the anode is concave.
  • the concave face of the anode has a radius of curvature about ten times greater than a distance between the anode and the cathode in the direction perpendicular to the main direction.
  • the concave face of the anode makes it possible to exert a restoring force on the electrons, which makes it possible to focus the electron beam.
  • a surface of the substrate is concave.
  • the concave substrate has a radius of curvature approximately ten times greater than a distance between the anode and the cathode. This order of magnitude is a good compromise between the diameter of the electron beam and the transverse velocities of the electrons constituting the beam.
  • transverse velocity is meant the acceleration produced by a transverse force modifying the trajectory of the electron.
  • the transverse velocity here reflects the notion of dispersion of the electron beam, it is expressed in electronvolt (eV).
  • the transverse velocity is decisive for the emittance then expressed in radian meter (m.rad) or brightness expressing in ampere per square meter per steradian (A. m “2, Srad “ 1 ).
  • a microscopic electric field at the top of the carbon nanotube is between 1 and 5 V / nm, the microscopic electric field being the product of the standard of the macroscopic electric field and a beta factor depending on the height and the diameter of the a nanotube.
  • FIG. 1 represents a diagram of a microwave wave amplifier, according to the prior art
  • FIG. 2 represents a schematic diagram of an electron gun comprising a field effect cathode, according to the prior art
  • FIG. 3 represents a diagram of the electronic optical device according to one aspect of the invention
  • FIG. 4 represents a permanent magnet making it possible to generate a magnetic field, according to one aspect of the invention.
  • FIG. 5 represents the trajectories of the electrons in an X-ray tube provided with an electronic optical device according to one aspect of the invention
  • FIG. 6a represents the trajectories followed by the electrons situated in a volume comprised between cathode and the anode
  • FIG. 6b shows the transverse velocities of the electrons according to one aspect of the invention.
  • Figure 1 shows a microwave wave amplifier. In this case, it is a traveling wave tube 1.
  • the traveling wave tube 1 comprises four main parts: an envelope 2 maintained under vacuum inside which is an electronic gun 3, a helix 4, collectors 5.
  • the electronic gun 3 is the source of the electrons which constitute the electron beam 6 which propagates inside the helix 4. It can consist of a thermoelectronic cathode, a cold cathode or a cathode effect field and an anode, these different elements being not shown in FIG.
  • An electric field is applied between the cathode 9 and the anode 10 making it possible to tear electrons from the cathode 9 to form a beam 6.
  • the beam 6 formed is subjected to a magnetic field B generated by a magnet 7 perpendicular to the electric field .
  • the beam 6 forms a cylinder inside the helix 4.
  • the helix 4 is a spiral, typically tungsten, inserted inside the casing 2 kept under vacuum. Typically, the helix 4 is a few tens of centimeters long and the inside of the helix 4 forms a cylinder of diameter generally between 50 ⁇ and 5 mm.
  • the propeller 4 and the casing 2 are insulated from each other by insulating materials.
  • the diameter of the cylinder formed by the electron beam 6 corresponds to one third of the diameter of the helix 4, it is therefore between 15 m and 1.5 mm.
  • the microwave signal comprising electromagnetic waves to be amplified is applied to the helix 4 at a first end 8a on the side of the electron gun 3.
  • the electromagnetic waves move along the helix 4.
  • the electrons communicate their kinetic energy to electromagnetic waves.
  • the amplitude of the electromagnetic waves at the output end 8b is then greater than the amplitude of the wave at the input end 8a.
  • the collectors 5 then collect the electrons after their passage through the helix 4. They thus receive all the residual energy that is not transmitted to the electromagnetic waves.
  • FIG. 2 represents an electron gun 3 of cathode type with carbon nanotubes, according to the known art.
  • the electronic gun 3 comprises a cathode 9 comprising carbon nanotubes 9a, an anode 10 facing the cathode 9 and a means 11 for generating an Emacro potential difference between the cathode 9 and the anode 10. Electrons are tunneled out of carbon nanotubes. They are then accelerated towards the anode 10 by the positive polarization thereof.
  • an extraction grid 12 polarized with respect to the cathode 9 can make it possible to control the current.
  • This type of electrode gun 3 has a certain number of drawbacks: the cathode 10 / gate 12 capacity limits the maximum switching frequency,
  • the current emitted by the cathode 9 varies exponentially with the voltage applied to the gate 12 degrading the quality of the servocontrol of the current emitted by the cathode 9, and the gate 12 not being entirely transparent to the electronic flux, it intercepts 30 to 40% of the current emitted by the cathode 1.
  • the beam generated has a high transverse velocity of the order of 30 eV much greater than the transverse velocity of 0.5 eV obtained with a thermoelectronic cathode.
  • a transverse speed makes the focusing of the electron beam 6 inside a standard helix 4 impossible from linear optics for example. Indeed, the linear optics allow a beam surface convergence of up to 100 in conventional optics ("Pierce" gun). However, the convergence factor is also applied to the transverse speed which can reach 3000 eV which is much higher than the capabilities of the focusing means currently existing with permanent magnets.
  • FIG. 3 represents a first embodiment of the electronic optical device 13 making it possible in particular to generate an electron beam 6 inside a helix 4 from a cathode 9 comprising carbon nanotubes 9a.
  • the electronic optical device 13 comprises a cathode 9 comprising carbon nanotubes 9a.
  • An anode 10 is disposed substantially vis-à-vis the cathode 9.
  • a means for generating a potential difference 1 1 generates an electric field E between the anode 10 and the cathode 9. Electrons are torn off by effect tunnel and are then accelerated to the anode 10.
  • a magnetic field B perpendicular to the macroscopic electric field Emacro generated by a magnetic circuit 14 flap the electrons from the cathode 9 to cathode 9. Under the influence of the magnetic field B, the electrons derive in the direction of the main direction Ox until the volume defined by the cathode 9 and the anode 10 is exceeded. The electrons thus form an electron beam 6.
  • the diameter of the electron beam 6 generated by the electronic optical device 13 is substantially equal to the width of the cathode 9 comprising carbon nanotubes.
  • the diameter of the electron beam 6 corresponds to one-third of the diameter of the helix 4 used in the TOP or in the X-ray tube in which the electron gun 3 is integrated.
  • the diameter of the helix 4 is between 50 ⁇ and 5 mm
  • the width of the cathode 9 is therefore substantially equal to one third of the diameter of the helix 4.
  • the width of the cathode 9 is advantageously between 0 , 15 m and 1, 8 mm.
  • the current density obtained depends on the length of the cathode 9.
  • the cathode length is a few tens of millimeters. It will be readily understood that the length of the cathode is optimized according to the applications for which the electronic optical device 13 is intended. However, it should be noted that an excessively high current density generates an electric charge field which limits the macroscopic Emacro electric field applied between the cathode 9 and the anode 10.
  • a cathode 9 comprising carbon nanotubes
  • an intense electric field E the electrons are torn off the surface of the material by tunnel effect.
  • a macroscopic Emacro electric field between 10 and 20 kV per millimeter between the cathode 9 and the anode 10 is required to tear the electrons in a cross-field device.
  • the carbon nanotubes 9a form a tip at their end so as to reinforce the electric field E at the tip.
  • the microscopic electric field Emicro observed at the tip of the carbon nanotube 9a is much higher than the macroscopic electric field Emacro applied.
  • the Emicro microscopic field is a function of a beta factor and the macroscopic Emacro electric field, the beta factor corresponding to the ratio between the height of a carbon nanotube 9a and the diameter of the carbon nanotube 9a.
  • the factor is between 100 and 1000.
  • the microscopic electric field Emicro is less than ten volts per nanometer.
  • An Emicro microscopic electric field greater than 10 volts per nanometer could damage the nanotubes 9a.
  • the carbon nanotubes 9a have a height of between 1 and 10 micrometers and a diameter of between 1 and 50 nanometers.
  • the density of carbon nanotubes 9a on the surface of the cathode 9 is as high as possible so as to maximize the current emitted by the cathode 9.
  • a density of carbon nanotubes 9a too large decreases the beta factor ⁇ .
  • the higher the ⁇ -beta factor the weaker the macroscopic Emacro electric field to be applied, and consequently the weaker the magnetic field to be applied. facilitates the implementation of the electronic optical device 13.
  • the applied magnetic field B is used to fold the electrons removed from the cathode 9 and accelerated to the anode 10 to the cathode 9.
  • the distance between the cathode 9 and the anode 10 must be as small as possible to reduce the risk of electrical breakdown.
  • the smaller the distance between the cathode 10 and the anode 9, the greater the standard of the magnetic field B to be applied, so as to fold the electrons coming from the cathode 9 before they intercept the anode 10 We must therefore find a compromise between a short distance and a limited magnetic field.
  • a distance of 0.3 mm seems to be an acceptable distance with a magnetic field of the order of 0.5 to 1 tesla.
  • the anode 9 typically comprises molybdenum or copper. These are materials that have good resistance to strong electric fields. They allow a surface without protrusion that could locally strengthen the electric field and generate electrical breakdowns.
  • the face of the anode 9 facing the cathode 10 is of concave shape. It has a radius of curvature for creating an electric return field on the electrons for focusing the electron beam 6 generated.
  • the radius of curvature and the greater the standard of the electric return field the smaller the diameter of the electron beam 6.
  • the radius of curvature is approximately equal to ten times the distance between the cathode 9 and the anode 10 which limits the magnification of the beam to a factor of 1.5 and limits the increase in transverse speeds by a factor of 2.
  • the electronic optics device comprises a control means for modulating the operation of the device 13.
  • the control means is a photoconductive element 15 placed in series with the cathode 9.
  • the photogenerated current by the Photoconductive element 15 following illumination 16 of the laser type, for example, is equal to the current of the cathode 9. It is then possible to generate an electron beam 6 in a pulsating manner.
  • the extension in the main direction Ox of a substrate 17 which extends the cathode 10 has a concave surface.
  • the radius of curvature of the substrate 17 is approximately ten times greater than the distance between the cathode 9 and the anode 10.
  • Figure 4 shows a magnetic circuit as used in the invention.
  • the magnetic field is generated by a magnetic circuit 14 comprising a permanent magnet comprising for example Samarium Cobalt 18.
  • the cathode 9 and the anode 10 are disposed in the gap 19.
  • the gap 19 of the magnetic circuit is 3 mm.
  • the magnetic field created is almost constant in the gap 19 and decreases very rapidly when one moves away from the gap 19 by a few millimeters.
  • FIG. 5 represents the trajectory of an electron beam 6 generated by the electronic optical device 13 in an X-ray tube.
  • the trajectories of the electrons of the beam 6 can be divided into three zones.
  • a first zone defining a volume between the cathode 9 and the anode 10 within which the electrons are extracted, a second zone with decreasing magnetic field and a third zone defining a volume between the cathode and a target anode 20 in which electrons are accelerated by an intense electric field.
  • the electrons are extracted from the cathode 9 in the vacuum tunnel and accelerated to the anode 10 by the macroscopic electric field Emacro.
  • the magnetic field B perpendicular to the electric field folds the electrons towards the cathode 9 thus avoiding a current intercepting the anode 10.
  • the path followed by the electrons is a cycloid.
  • the dispersion of the electrons along the axis Oz is limited by an electric return field generated by the rounded shape of the anode 10.
  • the radius of curvature of the anode 10 is optimized to focus the electron beam 6 while limiting the increase of the transverse velocity.
  • the electrons Due to the strong magnetic field B prevailing in the second zone, the electrons remain confined near the substrate 17 of the cathode 9. They drift slowly in the main direction Ox. They are therefore less and less subject to the magnetic field B. The electrons are thus found in the third zone in which the magnetic field is weak. The electrons are then subjected to a strong electric field. They are then accelerated towards the target anode 20. The impact of the electrons on the target anode 20 forms a task of millimeter size.
  • FIG. 6a represents the trajectories of the electrons in the first zone, between the cathode 9 and the anode 10.
  • the distance between the cathode 9 and the anode 10 is 25 mm and the length of the cathode 9 is 20 mm.
  • the trajectory of the electrons defines a cycloid, the cycloid pitch being 0.72 mm, the cycloid pitch being defined by the macroscopic Emacro electric field and the magnetic field B.
  • the impact spot obtained on the target anode 20 is approximately 3.2 mm ⁇ 1.6 mm. It is possible to reduce it by using a substrate of concave shape as described above.
  • Another advantage of the electronic device 13 proposed according to the invention is that the ions present in the X-ray tube or in the traveling wave tubes can not go up the intense magnetic field and thus damage the cathode 9. These ions come from the ionization of the residual gases present in the tubes.
  • Figure 6b is a graphical representation of the speed of an electron versus time.
  • the transverse velocity of the electrons coming from a cathode 9 with carbon nanotubes is conventionally 30 eV.
  • the transverse velocity of the electron in the proposed electronic optics device 13 increases by a factor of 2, it is about 70 eV.
  • the electronic optical device 13 thus makes it possible to generate a pulse-dense electron beam from a carbon nanotube cathode and without using an extraction grid. He finds applications in the fields of cross-field traveling-wave tubes (CFA), X-ray tubes and neutralisers for ionic engines of artificial satellites.
  • CFA cross-field traveling-wave tubes
  • X-ray tubes X-ray tubes
  • neutralisers for ionic engines of artificial satellites.

Landscapes

  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)

Abstract

The invention concerns an electronic optical device for generating an electron beam (6) comprising a cold cathode (9) extending in a main direction (Ox), an anode (10) arranged substantially facing the cold cathode (9), a substrate (17) extending the cold cathode (9) in the main direction (Ox) and a magnetic circuit (14), means (11) for generating a difference in electric potentials between the anode (10) and the cold cathode (9) are designed to generate a macroscopic electric field (Emacro) for extracting electrons from the cold cathode (9). The magnetic field generated by the magnetic circuit (14) is designed to redirect the electrons extracted from the cold cathode (9) towards the cold cathode (9), the electrons drifting in the main direction (Ox) until they exit a volume located between the cold cathode (9) and the anode (10), the magnetic field being perpendicular to the macroscopic electric field.

Description

DISPOSITIF D'OPTIQUE ELECTRONIQUE  ELECTRONIC OPTICAL DEVICE
L'invention vise essentiellement les amplificateurs hyperfrequences pour les satellites de télécommunication et les sondes spatiales, mais peut aussi s'appliquer à d'autres domaines des hyperfréquences ou de l'électronique sous vide. The invention is aimed essentially at microwave amplifiers for telecommunication satellites and space probes, but can also be applied to other areas of microwave or vacuum electronics.
Les paramètres prépondérants pour les amplificateurs hyperfréquences sont le rendement électrique, la fiabilité, la bande passante, l'encombrement et la masse. La première liaison hyperfréquence a été réalisée entre la Lune et la Terre, elle utilisait un amplificateur à champs croisés ou « Cross Field Amplifier », en langue anglaise (CFA). On entend par « amplificateur à champs croisés » un appareil dans lequel l'amplification est obtenue à l'aide d'un champ magnétique constant et perpendiculaire au champ électrique. Les CFA développés à l'époque comprennent des cathodes à émissions secondaires pour lesquelles l'émission d'électrons est induite par un flux d'électrons. Or, le coefficient de réémission de ce type de cathode chute très rapidement au cours du temps. Une première alternative consiste au remplacement des cathodes à émissions secondaires telle qu'une cathode à émission thermoélectronique. On entend par « cathode à émission thermoélectronique » une surface conductrice de laquelle sont extraits des électrons par application d'un champ électrique. Lorsqu' elle est portée à haute température, des électrons sont libérés dans le vide. Toutefois, lorsque la surface émissive de ce type de cathode est très grande, la puissance de chauffage nécessaire pour une telle cathode est très importante ce qui dégrade le rendement électrique de façon rédhibitoire. The paramount parameters for microwave amplifiers are electrical efficiency, reliability, bandwidth, size and mass. The first microwave link was made between the Moon and the Earth, using a Cross Field Amplifier, in English (CFA). The term "cross-field amplifier" means an apparatus in which the amplification is obtained using a constant magnetic field perpendicular to the electric field. The CFAs developed at the time include secondary emission cathodes for which the emission of electrons is induced by a flow of electrons. However, the coefficient of retransmission of this type of cathode drops very rapidly over time. A first alternative is the replacement of secondary emission cathodes such as a thermoelectronic emission cathode. The term "cathode with thermoelectronic emission" means a conductive surface from which electrons are extracted by application of an electric field. When brought to high temperature, electrons are released in the vacuum. However, when the emitting surface of this type of cathode is very large, the heating power required for such a cathode is very important which degrades the electrical yield unacceptably.
Par la suite, les CFA ont donc été délaissés au profit de tubes à ondes progressives (TOP). Pour les applications tels que les tubes à rayons X, les électrons sont accélérés par une haute tension électrique vers une cible. Lors de leur impact sur la cible, les électrons émettent un rayonnement X. Le flux d'électrons est focalisé par une succession de lentilles afin que la tache d'impact des électrons soit de la plus petite dimension possible de manière à améliorer la résolution de l'image X, comme c'est le cas pour une mammographie. Subsequently, the CFA were therefore abandoned in favor of traveling wave tubes (TOP). For applications such as X-ray tubes, electrons are accelerated by a high voltage to a target. During their impact on the target, the electrons emit X radiation. The electron flow is focused by a succession of lenses so that the electron impact spot is of the smallest possible size so as to improve the resolution of the electrons. image X, as is the case for a mammogram.
Pour certaines applications, comme la radiographie et le scanner, il peut s'avérer utile d'avoir un tube à rayons X émettant de brèves impulsions. Actuellement, les solutions proposées reposent sur une commutation de la haute tension ou une commutation du chauffage de la cathode. La commutation de la haute tension est lente en raison du potentiel électrique très élevé à commuter, typiquement de l'ordre de plusieurs dizaines de kilovolt, et la commutation du chauffage est limitée par l'inertie thermique de la cathode. For some applications, such as x-ray and CT, it may be helpful to have a short pulse x-ray tube. Currently, the proposed solutions are based on a switching of the high voltage or switching of the heating of the cathode. The switching of the high voltage is slow because of the very high electrical potential to be switched, typically of the order of several tens of kilovolt, and the switching of the heating is limited by the thermal inertia of the cathode.
Il a été proposé de remplacer la cathode thermoélectronique des tubes à rayons X par une cathode à effet de champ. Toutefois, les tubes à rayon X utilisant des cathodes à effet de champ sont limités en courant et donc aussi en intensités de rayons X. En effet, les cathodes à effet de champ de type cathode à nanotubes de carbone ou « Carbon Nano Tube » (CNT), en langue anglaise, ont une densité de courant maximale de 0,1 à 1 A.cm"2 pour un fonctionnement fiable. Par ailleurs, ce type de cathode nécessite l'utilisation d'une grille de commande dont l'intégration est difficile. De plus, la grille de commande et les CNT sont soumis au bombardement ionique provenant de l'ionisation du gaz résiduel dans le tube et la grille intercepte une fraction importante des électrons émis par les CNT. It has been proposed to replace the thermoelectronic cathode of X-ray tubes with a field effect cathode. However, the X-ray tubes using field effect cathodes are limited in current and therefore also in X-ray intensities. Indeed, cathode-type field effect cathodes with carbon nanotubes or "Carbon Nano Tube" ( CNT), in English, have a maximum current density of 0.1 to 1 A.cm "2 for reliable operation.In addition, this type of cathode requires the use of a control gate whose integration In addition, the control gate and the CNTs are ionically bombarded by the ionization of the residual gas in the tube and the gate intercepts a large fraction of the electrons emitted by the CNTs.
Un but de l'invention est de proposer une optique électronique permettant de générer un faisceau d'électrons très dense permettant une émission par impulsions à partir d'une cathode froide sans recourir à l'utilisation d'une grille de commande. Selon un aspect de l'invention, il est proposé un dispositif d'optique électronique de génération d'un faisceau d'électrons. Le dispositif d'optique électronique comprend une cathode froide s'étendant selon une direction principale, une anode disposée sensiblement en vis-à-vis de la cathode froide, un substrat prolongeant la cathode froide selon la direction principale et un aimant permanent, des moyens de génération d'une différence de potentiels électriques entre l'anode et la cathode froide sont adaptés pour générer un champ électrique macroscopique permettant d'extraire des électrons de la cathode froide, le champ magnétique généré par l'aimant permanent étant adapté pour réorienter les électrons extraits de la cathode froide vers la cathode froide, les électrons dérivant dans le sens de la direction principale jusqu'à sortir d'un volume situé entre la cathode froide et l'anode, le champ magnétique étant perpendiculaire au champ électrique macroscopique. Un tel dispositif permet d'obtenir des fortes densités de courant à partir d'une cathode à nanotubes de carbone, typiquement de l'ordre de 20 mm de long et inférieur à 1 mm de large. An object of the invention is to provide an electronic optics for generating a very dense electron beam for pulsed emission from a cold cathode without resorting to the use of a control gate. According to one aspect of the invention, there is provided an electron optical device for generating an electron beam. The electronic optical device comprises a cold cathode extending in a main direction, an anode disposed substantially opposite the cold cathode, a substrate extending the cold cathode in the main direction and a permanent magnet, means for generating a difference of electrical potentials between the anode and the cold cathode are adapted to generate a macroscopic electric field for extracting electrons from the cold cathode, the magnetic field generated by the permanent magnet being adapted to redirect the electrons extracted from the cold cathode to the cold cathode, the electrons drifting in the direction of the main direction until leaving a volume located between the cold cathode and the anode, the magnetic field being perpendicular to the macroscopic electric field. Such a device makes it possible to obtain high current densities from a cathode with carbon nanotubes, typically of the order of 20 mm long and less than 1 mm wide.
Dans un mode de réalisation la cathode froide est une cathode comprenant des nanotubes de carbone. Avantageusement, le dispositif comprend en outre un moyen de commande laser adapté pour moduler le fonctionnement de la cathode. In one embodiment, the cold cathode is a cathode comprising carbon nanotubes. Advantageously, the device further comprises a laser control means adapted to modulate the operation of the cathode.
Avantageusement, un rapport entre la hauteur selon une direction perpendiculaire à la direction principale d'un nanotube de carbone et le diamètre d'un nanotube est compris entre 100 et 1000. Le rapport entre la hauteur du nanotube et le diamètre détermine le facteur bêta. Le champ électrique local à la pointe du CNT, qui détermine l'intensité d'émission de ce CNT par émission de champ, est égal au champ macroscopique amplifié par ce facteur bêta. Un facteur bêta élevé permet de limiter la norme du champ électrique à appliquer pour atteindre l'intensité d'émission voulue, et donc de réduire le risque de claquage électrique entre la cathode et l'anode. Avantageusement, la distance entre deux nanotubes de carbone est égale à l'ordre de grandeur de la hauteur des nanotubes ce qui assure un meilleur compromis entre le courant émis et le facteur bêta définissant la norme du champ électrique à appliquer. Avantageusement, une face de l'anode est située sensiblement en vis à vis de la surface de la cathode ce qui permet une extraction plus facile des électrons. Advantageously, a ratio between the height in a direction perpendicular to the main direction of a carbon nanotube and the diameter of a nanotube is between 100 and 1000. The ratio between the height of the nanotube and the diameter determines the beta factor. The local electric field at the tip of the CNT, which determines the emission intensity of this CNT by field emission, is equal to the macroscopic field amplified by this beta factor. A high beta factor makes it possible to limit the standard of the electric field to be applied to reach the desired emission intensity, and thus to reduce the risk of electrical breakdown between the cathode and the anode. Advantageously, the distance between two carbon nanotubes is equal to the order of magnitude of the height of the nanotubes, which ensures a better compromise between the emitted current and the beta factor defining the standard of the electric field to be applied. Advantageously, a face of the anode is located substantially opposite the surface of the cathode which allows easier extraction of the electrons.
Avantageusement, la face de l'anode est concave. Préférentiel lement, la face concave de l'anode présente un rayon de courbure environ dix fois supérieur à une distance entre l'anode et la cathode selon la direction perpendiculaire à la direction principale. La face concave de l'anode permet d'exercer une force de rappel sur les électrons ce qui permet de focaliser le faisceau d'électrons. Advantageously, the face of the anode is concave. Preferably, the concave face of the anode has a radius of curvature about ten times greater than a distance between the anode and the cathode in the direction perpendicular to the main direction. The concave face of the anode makes it possible to exert a restoring force on the electrons, which makes it possible to focus the electron beam.
Avantageusement, une surface du substrat est concave. Préférentiellement, le substrat concave présente un rayon de courbure environ dix fois supérieur à une distance entre l'anode et la cathode. Cet ordre de grandeur est un bon compromis entre le diamètre du faisceau d'électrons et les vitesses transverses des électrons constituant le faisceau. Advantageously, a surface of the substrate is concave. Preferably, the concave substrate has a radius of curvature approximately ten times greater than a distance between the anode and the cathode. This order of magnitude is a good compromise between the diameter of the electron beam and the transverse velocities of the electrons constituting the beam.
On entend par vitesse transverse l'accélération produite par une force transversale modifiant la trajectoire de l'électron. La vitesse transverse reflète ici la notion de dispersion du faisceau d'électron, elle s'exprime en électronvolt (eV). La vitesse transverse est déterminante pour l'émittance s'exprimant alors en mètre radian (m.rad) ou brillance s'exprimant en ampère par mètre carré par stéradian (A. m"2. Srad"1). Avantageusement, un champ électrique microscopique au sommet du nanotube de carbone est compris entre 1 et 5 V/nm, le champ électrique microscopique étant le produit de la norme du champ électrique macroscopique et d'un facteur bêta dépendant de la hauteur et du diamètre d'un nanotube. L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs, et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : By transverse velocity is meant the acceleration produced by a transverse force modifying the trajectory of the electron. The transverse velocity here reflects the notion of dispersion of the electron beam, it is expressed in electronvolt (eV). The transverse velocity is decisive for the emittance then expressed in radian meter (m.rad) or brightness expressing in ampere per square meter per steradian (A. m "2, Srad " 1 ). Advantageously, a microscopic electric field at the top of the carbon nanotube is between 1 and 5 V / nm, the microscopic electric field being the product of the standard of the macroscopic electric field and a beta factor depending on the height and the diameter of the a nanotube. The invention will be better understood by studying a few embodiments described by way of non-limiting examples, and illustrated by the appended drawings in which:
- la figure 1 représente un schéma d'un amplificateur d'ondes hyperfréquences, selon l'art connu, FIG. 1 represents a diagram of a microwave wave amplifier, according to the prior art,
- la figure 2 représente un schéma de principe d'un canon à électrons comprenant une cathode à effet de champ, selon l'art connu, FIG. 2 represents a schematic diagram of an electron gun comprising a field effect cathode, according to the prior art,
- la figure 3 représente un schéma du dispositif d'optique électronique selon un aspect de l'invention, et - la figure 4 représente un aimant permanent permettant de générer un champ magnétique, selon un aspect de l'invention. FIG. 3 represents a diagram of the electronic optical device according to one aspect of the invention, and FIG. 4 represents a permanent magnet making it possible to generate a magnetic field, according to one aspect of the invention.
- la figure 5 représente les trajectoires des électrons dans un tube à rayon X muni d'un dispositif d'optique électronique selon un aspect de l'invention, - la figure 6a représente les trajectoires suivies par les électrons situés dans un volume compris entre la cathode et l'anode et la figure 6b représente les vitesses transverses des électrons selon un aspect de l'invention. FIG. 5 represents the trajectories of the electrons in an X-ray tube provided with an electronic optical device according to one aspect of the invention; FIG. 6a represents the trajectories followed by the electrons situated in a volume comprised between cathode and the anode and FIG. 6b shows the transverse velocities of the electrons according to one aspect of the invention.
La figure 1 représente un amplificateur d'onde hyperfréquence. En l'espèce, il s'agit d'un tube à ondes progressives 1 . Figure 1 shows a microwave wave amplifier. In this case, it is a traveling wave tube 1.
Le tube à ondes progressives 1 comprend quatre parties principales : une enveloppe 2 maintenue sous vide à l'intérieur de laquelle se trouve un canon électronique 3, une hélice 4, des collecteurs 5. Le canon électronique 3 est la source des électrons qui constituent le faisceau électronique 6 qui se propage à l'intérieur de l'hélice 4. Il peut être constitué d'une cathode thermoélectronique, d'une cathode froide ou d'une cathode à effet de champ et d'une anode, ces différents éléments étant non représentés sur la figure 1 . The traveling wave tube 1 comprises four main parts: an envelope 2 maintained under vacuum inside which is an electronic gun 3, a helix 4, collectors 5. The electronic gun 3 is the source of the electrons which constitute the electron beam 6 which propagates inside the helix 4. It can consist of a thermoelectronic cathode, a cold cathode or a cathode effect field and an anode, these different elements being not shown in FIG.
Un champ électrique est appliqué entre la cathode 9 et l'anode 10 permettant d'arracher des électrons à la cathode 9 pour former un faisceau 6. Le faisceau 6 formé est soumis à un champ magnétique B généré par un aimant 7 perpendiculaire au champ électrique. Le faisceau 6 forme un cylindre à l'intérieur de l'hélice 4. An electric field is applied between the cathode 9 and the anode 10 making it possible to tear electrons from the cathode 9 to form a beam 6. The beam 6 formed is subjected to a magnetic field B generated by a magnet 7 perpendicular to the electric field . The beam 6 forms a cylinder inside the helix 4.
L'hélice 4 est une spirale, typiquement en tungstène, insérée à l'intérieur de l'enveloppe 2 maintenue sous vide. Typiquement, l'hélice 4 mesure quelques dizaines de centimètres de long et l'intérieur de l'hélice 4 forme un cylindre de diamètre généralement compris entre 50 μιτι et 5 mm. L'hélice 4 et l'enveloppe 2 sont isolées l'une de l'autre par des matériaux isolants. Avantageusement, le diamètre du cylindre formé par le faisceau d'électrons 6 correspond au tiers du diamètre de l'hélice 4, il est donc compris entre 15 m et 1 ,5 mm. The helix 4 is a spiral, typically tungsten, inserted inside the casing 2 kept under vacuum. Typically, the helix 4 is a few tens of centimeters long and the inside of the helix 4 forms a cylinder of diameter generally between 50 μιτι and 5 mm. The propeller 4 and the casing 2 are insulated from each other by insulating materials. Advantageously, the diameter of the cylinder formed by the electron beam 6 corresponds to one third of the diameter of the helix 4, it is therefore between 15 m and 1.5 mm.
Le signal hyperfréquences comprenant des ondes électromagnétiques à amplifier est appliqué à l'hélice 4 à une première extrémité 8a du côté du canon électronique 3. Les ondes électromagnétiques se déplacent le long de l'hélice 4. Lorsque l'interaction entre les ondes électromagnétiques et le faisceau d'électrons 6 est optimale, ou, en d'autres termes, lorsque la vitesse de déplacement des ondes électromagnétiques le long de l'hélice 4 et la vitesse de déplacement du faisceau d'électrons 6 à l'intérieur de l'hélice 4 sont sensiblement égales, les électrons communiquent leur énergie cinétique aux ondes électromagnétiques. L'amplitude des ondes électromagnétiques à l'extrémité de sortie 8b est alors plus grande que l'amplitude de l'onde à l'extrémité d'entrée 8a. Les collecteurs 5 recueillent ensuite les électrons après leur passage dans l'hélice 4. Ils reçoivent ainsi toute l'énergie résiduelle non transmise aux ondes électromagnétiques. The microwave signal comprising electromagnetic waves to be amplified is applied to the helix 4 at a first end 8a on the side of the electron gun 3. The electromagnetic waves move along the helix 4. When the interaction between the electromagnetic waves and the electron beam 6 is optimal, or, in other words, when the speed of displacement of the electromagnetic waves along the helix 4 and the speed of displacement of the electron beam 6 inside the helix 4 are substantially equal, the electrons communicate their kinetic energy to electromagnetic waves. The amplitude of the electromagnetic waves at the output end 8b is then greater than the amplitude of the wave at the input end 8a. The collectors 5 then collect the electrons after their passage through the helix 4. They thus receive all the residual energy that is not transmitted to the electromagnetic waves.
La figure 2 représente un canon électronique 3 de type cathode à nanotubes de carbone, selon l'art connu. FIG. 2 represents an electron gun 3 of cathode type with carbon nanotubes, according to the known art.
Le canon électronique 3 comprend une cathode 9 comprenant des nanotubes de carbone 9a, une anode 10 située en vis-à-vis de la cathode 9 et un moyen 1 1 permettant de générer une différence de potentiel Emacro entre la cathode 9 et l'anode 10. Les électrons sont arrachés par effet tunnel aux nanotubes de carbone. Ils sont ensuite accélérés en direction de l'anode 10 par la polarisation positive de celle-ci. Avantageusement, une grille d'extraction 12 polarisée par rapport à la cathode 9 peut permettre de contrôler le courant. The electronic gun 3 comprises a cathode 9 comprising carbon nanotubes 9a, an anode 10 facing the cathode 9 and a means 11 for generating an Emacro potential difference between the cathode 9 and the anode 10. Electrons are tunneled out of carbon nanotubes. They are then accelerated towards the anode 10 by the positive polarization thereof. Advantageously, an extraction grid 12 polarized with respect to the cathode 9 can make it possible to control the current.
Ce type de canon à électrode 3 présente un certain nombre d'inconvénients : - la capacité cathode 10/grille 12 limite la fréquence maximale de commutation, This type of electrode gun 3 has a certain number of drawbacks: the cathode 10 / gate 12 capacity limits the maximum switching frequency,
- le courant émis par la cathode 9 varie exponentiellement avec la tension appliquée sur la grille 12 dégradant la qualité de l'asservissement du courant émis par la cathode 9, et - la grille 12 n'étant pas intégralement transparente au flux électronique, elle intercepte de 30 à 40 % du courant émis par la cathode 1 . the current emitted by the cathode 9 varies exponentially with the voltage applied to the gate 12 degrading the quality of the servocontrol of the current emitted by the cathode 9, and the gate 12 not being entirely transparent to the electronic flux, it intercepts 30 to 40% of the current emitted by the cathode 1.
- la fraction de courant intercepté génère une élévation de la température ce qui limite l'utilisation de ce type de canon à électron 3 pour des courants élevés, - le faisceau généré présente une grande vitesse transverse de l'ordre de 30 eV bien supérieure à la vitesse transverse de 0,5 eV obtenue avec une cathode thermoélectronique. Une telle vitesse transverse rend la focalisation du faisceau électronique 6 à l'intérieur d'une hélice 4 standard impossible à partir d'une optique linéaire par exemple. En effet, les optiques linéaires permettent une convergence en surface du faisceau d'un facteur jusqu'à 100 dans une optique conventionnelle (canon dit « de Pierce »). Or, le facteur de convergence est aussi appliqué à la vitesse transverse qui peut atteindre 3000 eV ce qui est bien supérieur aux capacités des moyens de focalisation existant actuellement avec des aimants permanents. the fraction of current intercepted generates an increase in temperature which limits the use of this type of electron gun 3 for high currents; the beam generated has a high transverse velocity of the order of 30 eV much greater than the transverse velocity of 0.5 eV obtained with a thermoelectronic cathode. Such a transverse speed makes the focusing of the electron beam 6 inside a standard helix 4 impossible from linear optics for example. Indeed, the linear optics allow a beam surface convergence of up to 100 in conventional optics ("Pierce" gun). However, the convergence factor is also applied to the transverse speed which can reach 3000 eV which is much higher than the capabilities of the focusing means currently existing with permanent magnets.
La figure 3 représente un premier mode de réalisation du dispositif d'optique électronique 13 permettant notamment de générer un faisceau électronique 6 à l'intérieur d'une hélice 4 à partir d'une cathode 9 comprenant des nanotubes de carbone 9a. FIG. 3 represents a first embodiment of the electronic optical device 13 making it possible in particular to generate an electron beam 6 inside a helix 4 from a cathode 9 comprising carbon nanotubes 9a.
Le dispositif d'optique électronique 13 comprend une cathode 9 comprenant des nanotubes de carbone 9a. Une anode 10 est disposée sensiblement en vis-à-vis de la cathode 9. Un moyen de génération d'une différence de potentiel 1 1 génère un champ électrique E entre l'anode 10 et la cathode 9. Des électrons sont arrachés par effet tunnel et sont ensuite accélérés vers l'anode 10. Un champ magnétique B perpendiculaire au champ électrique macroscopique Emacro généré par un circuit magnétique 14 rabat les électrons issus de la cathode 9 vers cathode 9. Sous l'influence du champ magnétique B, les électrons dérivent selon le sens de la direction principale Ox jusqu'à sortir du volume défini par la cathode 9 et l'anode 10. Les électrons forment ainsi un faisceau électronique 6. The electronic optical device 13 comprises a cathode 9 comprising carbon nanotubes 9a. An anode 10 is disposed substantially vis-à-vis the cathode 9. A means for generating a potential difference 1 1 generates an electric field E between the anode 10 and the cathode 9. Electrons are torn off by effect tunnel and are then accelerated to the anode 10. A magnetic field B perpendicular to the macroscopic electric field Emacro generated by a magnetic circuit 14 flap the electrons from the cathode 9 to cathode 9. Under the influence of the magnetic field B, the electrons derive in the direction of the main direction Ox until the volume defined by the cathode 9 and the anode 10 is exceeded. The electrons thus form an electron beam 6.
Le diamètre du faisceau électronique 6 généré par le dispositif d'optique électronique 13 est sensiblement égal à la largeur de la cathode 9 comprenant des nanotubes de carbone. Avantageusement, le diamètre du faisceau d'électrons 6 correspond au tiers du diamètre de l'hélice 4 utilisé dans le TOP ou dans le tube à rayon X dans lequel le canon à électrons 3 est intégré. Typiquement, le diamètre de l'hélice 4 est compris entre 50 μιτι et 5 mm, la largeur de la cathode 9 est donc sensiblement égale au tiers de du diamètre de l'hélice 4. La largeur de la cathode 9 est avantageusement comprise entre 0,15 m et 1 , 8 mm. La densité de courant obtenue dépend de la longueur de la cathode 9. Plus la cathode 9 est longue et plus la densité de courant obtenue est grande, typiquement, la longueur de la cathode est de quelques dizaines de millimètres. On comprendra aisément, que la longueur de la cathode est optimisée en fonction des applications pour lesquelles le dispositif d'optique électronique 13 est destiné. Toutefois, il faut noter qu'une densité de courant trop élevée génère un champ électrique de charge qui limite le champ électrique macroscopique Emacro appliqué entre la cathode 9 et l'anode 10. The diameter of the electron beam 6 generated by the electronic optical device 13 is substantially equal to the width of the cathode 9 comprising carbon nanotubes. Advantageously, the diameter of the electron beam 6 corresponds to one-third of the diameter of the helix 4 used in the TOP or in the X-ray tube in which the electron gun 3 is integrated. Typically, the diameter of the helix 4 is between 50 μιτι and 5 mm, the width of the cathode 9 is therefore substantially equal to one third of the diameter of the helix 4. The width of the cathode 9 is advantageously between 0 , 15 m and 1, 8 mm. The current density obtained depends on the length of the cathode 9. The longer the cathode 9 is and the higher the current density obtained, typically the cathode length is a few tens of millimeters. It will be readily understood that the length of the cathode is optimized according to the applications for which the electronic optical device 13 is intended. However, it should be noted that an excessively high current density generates an electric charge field which limits the macroscopic Emacro electric field applied between the cathode 9 and the anode 10.
Lorsqu'une cathode 9 comprenant des nanotubes de carbone est soumise à un champ électrique E intense, les électrons sont arrachés de la surface du matériau par effet tunnel. Un champ électrique Emacro macroscopique compris entre 10 et 20 kV par millimètre entre la cathode 9 et l'anode 10 est nécessaire pour arracher les électrons dans un dispositif à champ croisé. Avantageusement, les nanotubes de carbone 9a forment une pointe à leur extrémité de manière à renforcer le champ électrique E au niveau de la pointe. Le champ électrique microscopique Emicro observé au niveau de la pointe du nanotube de carbone 9a est bien supérieur au champ électrique macroscopique Emacro appliqué. Le champ microscopique Emicro est fonction d'un facteur bêta et du champ électrique macroscopique Emacro, le facteur bêta correspondant au rapport entre la hauteur d'un nanotube de carbone 9a et le diamètre du nanotube de carbone 9a. Avantageusement le facteur est compris entre 100 et 1000. Typiquement, le champ électrique microscopique Emicro est inférieur à une dizaine de volts par nanomètre. Un champ électrique microscopique Emicro supérieur à 10 volts par nanomètre risquerait d'endommager les nanotubes 9a. Typiquement, les nanotubes de carbone 9a ont une hauteur comprise entre 1 et 10 micromètres et un diamètre compris entre 1 et 50 nanomètres. When a cathode 9 comprising carbon nanotubes is subjected to an intense electric field E, the electrons are torn off the surface of the material by tunnel effect. A macroscopic Emacro electric field between 10 and 20 kV per millimeter between the cathode 9 and the anode 10 is required to tear the electrons in a cross-field device. Advantageously, the carbon nanotubes 9a form a tip at their end so as to reinforce the electric field E at the tip. The microscopic electric field Emicro observed at the tip of the carbon nanotube 9a is much higher than the macroscopic electric field Emacro applied. The Emicro microscopic field is a function of a beta factor and the macroscopic Emacro electric field, the beta factor corresponding to the ratio between the height of a carbon nanotube 9a and the diameter of the carbon nanotube 9a. Advantageously, the factor is between 100 and 1000. Typically, the microscopic electric field Emicro is less than ten volts per nanometer. An Emicro microscopic electric field greater than 10 volts per nanometer could damage the nanotubes 9a. Typically, the carbon nanotubes 9a have a height of between 1 and 10 micrometers and a diameter of between 1 and 50 nanometers.
La densité de nanotubes de carbone 9a à la surface de la cathode 9 est la plus élevée possible de manière à maximiser le courant émis par la cathode 9. Toutefois, une densité de nanotubes de carbone 9a trop importante diminue le facteur bêta β. Or, plus le facteur bêta β est élevée et plus le champ électrique macroscopique Emacro à appliquer est faible, et par voie de conséquence, plus le champ magnétique à appliquer est faible ce qui facilite la mise en œuvre du dispositif d'optique électronique 13. En effet, le champ magnétique B appliqué sert à rabattre les électrons arrachés de la cathode 9 et accélérés vers l'anode 10 vers la cathode 9. On comprendra alors aisément que plus le champ électrique macroscopique Emacro est élevé et plus le champ magnétique B doit être élevé pour rabattre les électrons avant qu'ils n'interceptent l'anode 10. Une distance entre deux nanotubes de carbone 9a dans les deux directions de l'espace Ox et Oy, comprise entre une et deux fois la hauteur des nanotubes de carbone 9a, permet d'obtenir le meilleur compromis entre le courant maximal émis et le facteur bêta β maximal. The density of carbon nanotubes 9a on the surface of the cathode 9 is as high as possible so as to maximize the current emitted by the cathode 9. However, a density of carbon nanotubes 9a too large decreases the beta factor β. However, the higher the β-beta factor, the weaker the macroscopic Emacro electric field to be applied, and consequently the weaker the magnetic field to be applied. facilitates the implementation of the electronic optical device 13. In fact, the applied magnetic field B is used to fold the electrons removed from the cathode 9 and accelerated to the anode 10 to the cathode 9. It will be easily understood that the more the macroscopic electric field Emacro is high and the magnetic field B must be high to fold the electrons before they intercept the anode 10. A distance between two carbon nanotubes 9a in the two directions of the space Ox and Oy , between one and two times the height of carbon nanotubes 9a, provides the best compromise between the maximum current emitted and the maximum beta factor β.
La distance entre la cathode 9 et l'anode 10 doit être la plus faible possible pour réduire les risques de claquages électriques. Toutefois, plus la distance entre la cathode 10 et l'anode 9 est faible et plus la norme du champ magnétique B à appliquer doit être importante de manière rabattre les électrons issus de la cathode 9 avant qu'ils n'interceptent l'anode 10. Il faut donc trouver un compromis entre une faible distance et un champ magnétique limité. Une distance de 0,3 mm semble être une distance acceptable avec un champ magnétique de l'ordre de 0,5 à 1 tesla. The distance between the cathode 9 and the anode 10 must be as small as possible to reduce the risk of electrical breakdown. However, the smaller the distance between the cathode 10 and the anode 9, the greater the standard of the magnetic field B to be applied, so as to fold the electrons coming from the cathode 9 before they intercept the anode 10 We must therefore find a compromise between a short distance and a limited magnetic field. A distance of 0.3 mm seems to be an acceptable distance with a magnetic field of the order of 0.5 to 1 tesla.
L'anode 9 comprend typiquement du molybdène ou du cuivre. Ce sont des matériaux qui ont une bonne résistance aux champs électriques forts. Ils permettent un état de surface sans protubérance qui risquerait de renforcer localement le champ électrique et générer des claquages électriques. The anode 9 typically comprises molybdenum or copper. These are materials that have good resistance to strong electric fields. They allow a surface without protrusion that could locally strengthen the electric field and generate electrical breakdowns.
Avantageusement, la face de l'anode 9 en vis-à-vis avec la cathode 10 est de forme concave. Elle présente un rayon de courbure permettant de créer un champ électrique de rappel sur les électrons permettant de focaliser le faisceau d'électrons 6 généré. Ainsi, plus le rayon de courbure est petit et plus la norme du champ électrique de rappel est grande et plus le diamètre du faisceau électronique 6 est petit. Toutefois, plus le rayon de courbure est petit et plus les vitesses transverses des électrons sont grandes. Il est nécessaire de trouver un compromis entre la focalisation du faisceau électronique 6 et l'augmentation des vitesses transverses. Avantageusement, le rayon de courbure est environ égal à dix fois la distance entre la cathode 9 et l'anode 10 ce qui limite le grossissement du faisceau àun facteur 1 ,5 et limite l'augmentation des vitesses transverses à un facteur de 2. Le champ magnétique appliqué est perpendiculaire au champ électrique appliqué entre la cathode 9 et l'anode 10. Ce champ magnétique sert à rabattre les électrons issus de la cathode 9 et accélérés vers l'anode 10. La norme du champ magnétique dépend du facteur bêta et du champ électrique macroscopique. Avantageusement, le dispositif d'optique électronique comprend un moyen de commande permettant de moduler le fonctionnement du dispositif 13. En l'espèce, le moyen de commande est un élément photoconducteur 15 placé en série avec la cathode 9. Le courant photogénéré par l'élément photoconducteur 15 suite à une illumination 16 de type laser, par exemple, est égal au courant de la cathode 9. Il est alors possible de générer un faisceau d'électrons 6 de manière impulsionnelle. Advantageously, the face of the anode 9 facing the cathode 10 is of concave shape. It has a radius of curvature for creating an electric return field on the electrons for focusing the electron beam 6 generated. Thus, the smaller the radius of curvature and the greater the standard of the electric return field, the smaller the diameter of the electron beam 6. However, the smaller the radius of curvature, the greater the transverse velocities of the electrons. It is necessary to find a compromise between focusing the electron beam 6 and increasing the transverse speeds. Advantageously, the radius of curvature is approximately equal to ten times the distance between the cathode 9 and the anode 10 which limits the magnification of the beam to a factor of 1.5 and limits the increase in transverse speeds by a factor of 2. The applied magnetic field is perpendicular to the electric field applied between the cathode 9 and the anode 10. This magnetic field is used to fold the electrons from the cathode 9 and accelerated to the anode 10. The standard of the magnetic field depends on the beta factor and macroscopic electric field. Advantageously, the electronic optics device comprises a control means for modulating the operation of the device 13. In this case, the control means is a photoconductive element 15 placed in series with the cathode 9. The photogenerated current by the Photoconductive element 15 following illumination 16 of the laser type, for example, is equal to the current of the cathode 9. It is then possible to generate an electron beam 6 in a pulsating manner.
Avantageusement, le prolongement selon la direction principale Ox d'un substrat 17 qui prolonge la cathode 10 présente une surface concave. Avantageusement, le rayon de courbure du substrat 17 est environ dix fois supérieur à la distance entre la cathode 9 et l'anode 10. Advantageously, the extension in the main direction Ox of a substrate 17 which extends the cathode 10 has a concave surface. Advantageously, the radius of curvature of the substrate 17 is approximately ten times greater than the distance between the cathode 9 and the anode 10.
La figure 4 représente un circuit magnétique tel qu'utilisé dans l'invention. Figure 4 shows a magnetic circuit as used in the invention.
Le champ magnétique est généré par un circuit magnétique 14 comprenant un aimant permanent comprenant par exemple du Samarium Cobalt 18. La cathode 9 et l'anode 10 sont disposées dans l'entrefer 19. L'entrefer 19 du circuit magnétique est de 3 mm. Le champ magnétique créé est quasiment constant dans l'entrefer 19 et diminue très rapidement quand on s'éloigne de l'entrefer 19 de quelques millimètres. The magnetic field is generated by a magnetic circuit 14 comprising a permanent magnet comprising for example Samarium Cobalt 18. The cathode 9 and the anode 10 are disposed in the gap 19. The gap 19 of the magnetic circuit is 3 mm. The magnetic field created is almost constant in the gap 19 and decreases very rapidly when one moves away from the gap 19 by a few millimeters.
La figure 5 représente la trajectoire d'un faisceau d'électrons 6 généré par le dispositif d'optique électronique 13 dans un tube à rayons X. Les trajectoires des électrons du faisceau 6 peuvent être divisées en trois zones. Une première zone définissant un volume entre la cathode 9 et l'anode 10 à l'intérieur de laquelle les électrons sont extraits, une deuxième zone à champ magnétique décroissant et une troisième zone définissant un volume entre la cathode et une anode-cible 20 dans laquelle les électrons sont accélérés par un champ électrique intense. FIG. 5 represents the trajectory of an electron beam 6 generated by the electronic optical device 13 in an X-ray tube. The trajectories of the electrons of the beam 6 can be divided into three zones. A first zone defining a volume between the cathode 9 and the anode 10 within which the electrons are extracted, a second zone with decreasing magnetic field and a third zone defining a volume between the cathode and a target anode 20 in which electrons are accelerated by an intense electric field.
Dans la première zone, les électrons sont extraits de la cathode 9 dans le vide par effet tunnel et accélérés vers l'anode 10 par le champ électrique macroscopique Emacro. Le champ magnétique B perpendiculaire au champ électrique rabat les électrons vers la cathode 9 évitant ainsi qu'un courant intercepte l'anode 10. La trajectoire suivie par les électrons est une cycloïde. In the first zone, the electrons are extracted from the cathode 9 in the vacuum tunnel and accelerated to the anode 10 by the macroscopic electric field Emacro. The magnetic field B perpendicular to the electric field folds the electrons towards the cathode 9 thus avoiding a current intercepting the anode 10. The path followed by the electrons is a cycloid.
La dispersion des électrons selon l'axe Oz est limitée par un champ électrique de rappel généré par la forme arrondie de l'anode 10. Le rayon de courbure de l'anode 10 est optimisé pour focaliser le faisceau d'électrons 6 tout en limitant l'augmentation de la vitesse transverse. The dispersion of the electrons along the axis Oz is limited by an electric return field generated by the rounded shape of the anode 10. The radius of curvature of the anode 10 is optimized to focus the electron beam 6 while limiting the increase of the transverse velocity.
A cause du fort champ magnétique B qui règne dans la deuxième zone, les électrons restent confinés près du substrat 17 de la cathode 9. Ils dérivent lentement selon la direction principale Ox. Ils sont donc de moins en moins soumis au champ magnétique B. Les électrons se retrouvent ainsi dans la troisième zone dans laquelle le champ magnétique est faible. Les électrons sont alors soumis à un champ électrique fort. Ils sont alors accélérés vers l'anode-cible 20. L'impact des électrons sur l'anode-cible 20 forme une tâche de dimension millimétrique. Due to the strong magnetic field B prevailing in the second zone, the electrons remain confined near the substrate 17 of the cathode 9. They drift slowly in the main direction Ox. They are therefore less and less subject to the magnetic field B. The electrons are thus found in the third zone in which the magnetic field is weak. The electrons are then subjected to a strong electric field. They are then accelerated towards the target anode 20. The impact of the electrons on the target anode 20 forms a task of millimeter size.
La figure 6a représente les trajectoires des électrons dans la première zone, entre la cathode 9 et l'anode 10. La distance entre la cathode 9 et l'anode 10 est de 25 mm et la longueur de la cathode 9 est de 20 mm. FIG. 6a represents the trajectories of the electrons in the first zone, between the cathode 9 and the anode 10. The distance between the cathode 9 and the anode 10 is 25 mm and the length of the cathode 9 is 20 mm.
La trajectoire des électrons définit une cycloïde, le pas de la cycloïde étant de 0,72 mm, le pas de la cycloïde étant défini par le champ électrique macroscopique Emacro et le champ magnétique B. La tache d'impact obtenue sur l'anode-cible 20 mesure environ 3,2 mm X 1 ,6 mm. Il est possible de la réduire en utilisant un substrat de forme concave tel que décrit précédemment. The trajectory of the electrons defines a cycloid, the cycloid pitch being 0.72 mm, the cycloid pitch being defined by the macroscopic Emacro electric field and the magnetic field B. The impact spot obtained on the target anode 20 is approximately 3.2 mm × 1.6 mm. It is possible to reduce it by using a substrate of concave shape as described above.
Un autre avantage du dispositif électronique 13 proposé selon l'invention est que les ions présents dans le tube de rayons X ou dans les tubes à ondes progressives ne peuvent pas remonter le champ magnétique intense et ainsi endommager la cathode 9. Ces ions sont issus de l'ionisation des gaz résiduels présents dans les tubes. Another advantage of the electronic device 13 proposed according to the invention is that the ions present in the X-ray tube or in the traveling wave tubes can not go up the intense magnetic field and thus damage the cathode 9. These ions come from the ionization of the residual gases present in the tubes.
La figure 6b est une représentation graphique de la vitesse d'un électron en fonction du temps. Figure 6b is a graphical representation of the speed of an electron versus time.
La vitesse transverse des électrons issus d'une cathode 9 à nanotubes de carbone est classiquement de 30 eV. La vitesse transverse de l'électron dans le dispositif d'optique électronique 13 proposé augmente d'un facteur 2, elle est environ de 70 eV. Le dispositif d'optique électronique 13 permet donc de générer un faisceau d'électrons très dense de manière impulsionnelle à partir d'une cathode à nanotubes de carbone et sans utiliser de grille d'extraction. Il trouve des applications dans les domaines des tubes à ondes progressives à champs croisés (CFA), des tubes à rayons X et des neutraliseurs pour les moteurs ioniques des satellites artificiels. The transverse velocity of the electrons coming from a cathode 9 with carbon nanotubes is conventionally 30 eV. The transverse velocity of the electron in the proposed electronic optics device 13 increases by a factor of 2, it is about 70 eV. The electronic optical device 13 thus makes it possible to generate a pulse-dense electron beam from a carbon nanotube cathode and without using an extraction grid. He finds applications in the fields of cross-field traveling-wave tubes (CFA), X-ray tubes and neutralisers for ionic engines of artificial satellites.
FEUILLE RECTIFIÉE (RÈGLE 91) ISA/EP RECTIFIED SHEET (RULE 91) ISA / EP

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif d'optique électronique de génération d'un faisceau d'électrons (6) comprenant une cathode froide (9) s'étendant selon une direction principale (Ox), une anode (10) disposée sensiblement en vis-à-vis de la cathode froide (9), un substrat (17) prolongeant la cathode froide (9) selon la direction principale (Ox) et un circuit magnétique (14), des moyens (1 1 ) de génération d'une différence de potentiels électriques entre l'anode (10) et la cathode froide (9) sont adaptés pour générer un champ électrique macroscopique (Emacro) permettant d'extraire des électrons de la cathode froide (9), le champ magnétique généré par le circuit magnétique (14) étant adapté pour réorienter les électrons extraits de la cathode froide (9) vers la cathode froide (9), les électrons dérivant dans le sens de la direction principale (Ox) jusqu'à sortir d'un volume situé entre la cathode froide (9) et l'anode (10), le champ magnétique étant perpendiculaire au champ électrique macroscopique. 1. An electron beam generating optical device (6) comprising a cold cathode (9) extending in a main direction (Ox), an anode (10) disposed substantially opposite the cold cathode (9), a substrate (17) extending the cold cathode (9) in the main direction (Ox) and a magnetic circuit (14), means (1 1) for generating a difference of electric potentials between anode (10) and the cold cathode (9) are adapted to generate a macroscopic electric field (Emacro) for extracting electrons from the cold cathode (9), the magnetic field generated by the magnetic circuit (14) being adapted to redirect the electrons extracted from the cold cathode (9) towards the cold cathode (9), the electrons drifting in the direction of the main direction (Ox) to leave a volume located between the cold cathode (9) and the anode (10), the magnetic field being perpendicular to the electric field macroscopic stick.
2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel la cathode froide est une cathode (9) comprenant des nanotubes de carbone (9a). 2. Device according to claim 1 wherein the cold cathode is a cathode (9) comprising carbon nanotubes (9a).
3. Dispositif selon la revendication 2 dans lequel un moyen de commande laser (16) est adapté pour moduler le fonctionnement de la cathode de manière à générer un faisceau d'électrons (6) de manière impulsionnelle. 3. Device according to claim 2 wherein a laser control means (16) is adapted to modulate the operation of the cathode so as to generate an electron beam (6) impulse.
4. Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3 dans lequel un rapport entre la hauteur selon une direction perpendiculaire à la direction principale (Ox) d'un nanotube de carbone (9a) et le diamètre d'un nanotube (9a) est compris entre 100 et 1000. 4. Device according to one of claims 2 or 3 wherein a ratio between the height in a direction perpendicular to the main direction (Ox) of a carbon nanotube (9a) and the diameter of a nanotube (9a) is between 100 and 1000.
5. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4 dans lequel la distance entre deux nanotubes de carbone (9a) est environ égale à l'ordre de grandeur de la hauteur des nanotubes. 5. Device according to one of claims 2 to 4 wherein the distance between two carbon nanotubes (9a) is approximately equal to the order of magnitude of the height of the nanotubes.
6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel une face de l'anode (10a) est située sensiblement en vis à vis de la surface de la cathode (9). 6. Device according to one of the preceding claims wherein a face of the anode (10a) is located substantially opposite the surface of the cathode (9).
7. Dispositif selon la revendication 5 dans lequel la face de l'anode (10) est concave. 7. Device according to claim 5 wherein the face of the anode (10) is concave.
8. Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 7 dans lequel la face concave de l'anode (10a) présente un rayon de courbure environ dix fois supérieur à une distance entre l'anode (10) et la cathode (9) selon une direction perpendiculaire (Oz) à la direction principale (Ox). 8. Device according to one of claims 6 or 7 wherein the concave face of the anode (10a) has a radius of curvature about ten times greater than a distance between the anode (10) and the cathode (9) according to a direction perpendicular (Oz) to the main direction (Ox).
9. Dispositif selon la revendication 8 dans lequel la distance entre la cathode (9) et l'anode (10) correspond au tiers du diamètre du faisceau d'électrons (6) à générer. 9. Device according to claim 8 wherein the distance between the cathode (9) and the anode (10) is one third of the diameter of the electron beam (6) to be generated.
10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9 dans lequel une surface du substrat (17) est concave. 10. Device according to one of claims 1 to 9 wherein a surface of the substrate (17) is concave.
1 1 . Dispositif selon la revendication 10 dans lequel le substrat (17) concave présente un rayon de courbure environ dix fois supérieur à une distance entre l'anode (10) et la cathode (9). 1 1. Device according to claim 10 wherein the concave substrate (17) has a radius of curvature about ten times greater than a distance between the anode (10) and the cathode (9).
12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel un champ électrique microscopique au sommet du nanotube de carbone est compris entre 1 et 5 V/nm, le champ électrique microscopique étant le produit de la norme du champ électrique macroscopique et du rapport entre la hauteur et le diamètre d'un nanotube. 12. Device according to one of the preceding claims wherein a microscopic electric field at the top of the carbon nanotube is between 1 and 5 V / nm, the microscopic electric field being the product of the standard of the macroscopic electric field and the ratio between the height and diameter of a nanotube.
PCT/EP2013/076935 2012-12-19 2013-12-17 Electronic optical device WO2014095888A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1203474A FR2999796B1 (en) 2012-12-19 2012-12-19 ELECTRONIC OPTICAL DEVICE
FR1203474 2012-12-19

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014095888A1 true WO2014095888A1 (en) 2014-06-26

Family

ID=48539219

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2013/076935 WO2014095888A1 (en) 2012-12-19 2013-12-17 Electronic optical device

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR2999796B1 (en)
WO (1) WO2014095888A1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019222718A3 (en) * 2018-05-17 2020-02-27 Zornes David Allen Three-dimensional model of particle interactions applying two-dimensional feynman diagrams
CN111734593A (en) * 2020-06-24 2020-10-02 电子科技大学 Ion neutralizer based on cold cathode

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2109156A (en) * 1981-10-29 1983-05-25 Philips Nv Cathode-ray device and semiconductor cathodes
US6297592B1 (en) * 2000-08-04 2001-10-02 Lucent Technologies Inc. Microwave vacuum tube device employing grid-modulated cold cathode source having nanotube emitters
US20070029912A1 (en) * 2005-08-08 2007-02-08 Young-Jun Park Field emission device and its method of fabrication
FR2962590A1 (en) * 2010-07-09 2012-01-13 Thales Sa Cold cathode fabricating method for e.g. electron microscopy, involves engraving covering structure to remove portion at height of electron emitting points, emerge bases of points with layer and release top of points in layer

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2109156A (en) * 1981-10-29 1983-05-25 Philips Nv Cathode-ray device and semiconductor cathodes
US6297592B1 (en) * 2000-08-04 2001-10-02 Lucent Technologies Inc. Microwave vacuum tube device employing grid-modulated cold cathode source having nanotube emitters
US20070029912A1 (en) * 2005-08-08 2007-02-08 Young-Jun Park Field emission device and its method of fabrication
FR2962590A1 (en) * 2010-07-09 2012-01-13 Thales Sa Cold cathode fabricating method for e.g. electron microscopy, involves engraving covering structure to remove portion at height of electron emitting points, emerge bases of points with layer and release top of points in layer

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019222718A3 (en) * 2018-05-17 2020-02-27 Zornes David Allen Three-dimensional model of particle interactions applying two-dimensional feynman diagrams
CN111734593A (en) * 2020-06-24 2020-10-02 电子科技大学 Ion neutralizer based on cold cathode
CN111734593B (en) * 2020-06-24 2023-01-31 电子科技大学 Ion neutralizer based on cold cathode

Also Published As

Publication number Publication date
FR2999796A1 (en) 2014-06-20
FR2999796B1 (en) 2015-01-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2232520B1 (en) Radiogenic source comprising at least one electron source combined with a photoelectric control device
FR2926668A1 (en) ELECTRON SOURCE BASED ON FIELD TRANSMITTERS FOR MULTIPOINT RADIOGRAPHY.
EP0376825A1 (en) Electron source of the field emission type
EP0248689A1 (en) Multiple-beam klystron
BE507367A (en)
WO2014095888A1 (en) Electronic optical device
EP0340832B1 (en) Sealed, high flux neutron tube
WO2010031655A1 (en) Microwave tube with a device for extracting the ions generated in the tube
WO2013121021A1 (en) Device and method for emitting electrons and device comprising such a system for emitting electrons
EP3238225B1 (en) High-energy electron source made from cnt with offset electromagnetic wave control element
Cheng et al. A compact X-ray generator using a nanostructured field emission cathode and a microstructured transmission anode
EP0140730A1 (en) Soft X-ray source utilising a microch annel plasma created by photoionization of a gas
EP2311061B1 (en) Electron cyclotron resonance ion generator
FR2844916A1 (en) X-ray tube producing high intensity beam has spherical section electrodes producing divergent beam with clear virtual focus
EP3574719B1 (en) System for generating a plasma jet of metal ions
FR2538948A1 (en) X-RAY TUBE WITH SCAN
FR2644286A1 (en) ELECTRON BEAM GENERATOR AND ELECTRONIC DEVICES USING SUCH A GENERATOR
EP3994714A1 (en) Pulsed generator of electrically charged particles and method of use of a pulsed generator of electrically charged particles
FR2936648A1 (en) HIGH POWER COMPACT MICROWAVE TUBE
Hosokai et al. Elongation of extreme ultraviolet (at 13.5 nm) emission with time-of-flight controlled discharges and lateral fuel injection
EP0813223A1 (en) Magnetic field generation means and ECR ion source using the same
WO2014111469A1 (en) Device for producing plasma from a fluid and handling same, having a microwave resonant structure and electric field plasma actuator
TW202131366A (en) Light modulated electron source
FR2639472A1 (en) CHANNEL SOURCE FOR GENERATING EV AND CIRCULATOR FOR EV
FR2639471A1 (en) ENTITY HAVING A HIGH DENSITY OF ELECTRIC CHARGE, AND SYSTEM AND APPARATUS FOR GENERATING IT

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13811454

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13811454

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1