L'invention concerne des cathodes à émission thermoélectronique. Plus particulièrement, l'invention concerne une nouvelle structure de cathode à émission thermoélectronique et le procédé d'élaboration de ce type de cathode. L'invention concerne plus précisément une cathode à émission thermoélectronique particulièrement adaptée pour des applications nécessitant un démarrage très rapide, inférieur à 2 secondes environ. Les cathodes selon l'invention peuvent trouver des applications dans des petits tubes à ondes progressives employés dans des missiles.

On entend par « cathode à émission thermoélectronique » une surface conductrice de laquelle sont extraits des électrons par application d'un champ électrique lorsque cette surface est portée à haute température. Différents types de cathodes thermoélectroniques existent dans l'art antérieur, les figures 1 a à 1 e illustrent ces modes de réalisation.

La figure 1 a représente une cathode 1 comprenant un pavé émissif 2 et un filament 3. Le pavé émissif 2, pouvant comprendre du tungstène, comprend une surface émissive 4 configurée pour émettre des électrons dans une direction préalablement établie. Le filament 3 pouvant comprendre du tungstène, est souvent enroulé pour former une spirale permettant d'augmenter la surface d'échange thermique à proximité du pavé émissif 2. Le filament 3 est destiné à être connecté à une source de courant, et la circulation du courant à travers le filament 3 permet de le chauffer. Le filament 3 est disposé à proximité du pavé émissif 2 permettant un transfert de l'énergie thermique du filament 3 vers le pavé émissif 2 par rayonnement. Selon cet art antérieur, le filament 3 est dit « nu » ce qui signifie que le filament 3 n'est pas enrobé d'un matériau. L'inconvénient d'utiliser un filament nu 3 est que celui-ci est très sensible aux vibrations ce qui limite sa durée de vie. Pour pallier cet inconvénient, l'art antérieur illustré sur la figure 1 b propose de disposer des perles 5 d'alumine sur toute la longueur du filament 3 à la manière d'un « collier de perles » ce qui permet, d'une part, d'améliorer la résistance du filament 3 aux vibrations, et, d'autre part, d'isoler électriquement le filament 3 du pavé émissif 2. Ce type de cathode nécessite de chauffer plus longtemps pour atteindre la température nécessaire à l'émission d'électrons.

La figure 1 c illustre un autre type de cathode 1 couramment présentée dans la littérature. La cathode 1 comprend un pavé émissif 2 et un pavé chauffant 6, le pavé chauffant 6 étant brasé sur le pavé émissif 2. Le pavé chauffant 6 comprend un filament 3 noyé dans un bloc d'alumine appelé « potting », le filament est dit « potté » 7a. Le potting est maintenu par un cylindre 7b appelé « jupe » comprenant un métal réfractaire. Le transfert d'énergie thermique du pavé chauffant 6 vers le pavé émissif 2 est réalisé par conduction. Une cathode 1 réalisée selon cet art antérieur nécessite un temps de chauffage relativement long, typiquement de l'ordre de 3 minutes puisqu'il est nécessaire de chauffer une masse d'alumine relativement importante. De plus, la brasure entre le pavé chauffant 6 et le pavé émissif 2 est relativement fragile compte tenu de la masse importante du pavé chauffant 6 et de la température d'émission des électrons.

Par ailleurs, le procédé de réalisation de la cathode 1 comprend une première étape de brasage de la jupe 7b sur le pavé émissif 2, la jupe 7b servant à maintenir le potting, une deuxième étape de réalisation du filament potté 7a consistant à insérer le filament 3 à l'intérieur de la jupe 7b et de recouvrir le filament 3 avec de la poudre d'alumine, et une troisième étape de traitement thermique. Ce procédé d'élaboration est long et il ne permet pas de contrôler l'intégrité du filament 3 au cours du processus d'élaboration de la cathode 1 . Lorsque la cathode 1 est réalisée, le contrôle de la qualité de la cathode 1 n'est pas possible puisqu'il n'existe pas de méthode d'analyse permettant de contrôler la qualité du potting ou la qualité de la brasure entre le pavé émissif 2 et le pavé chauffant 6. Or, la simple présence d'une bulle dans le potting à proximité du filament 3 fragilise le filament 3 et diminue sa durée d'utilisation. Une alternative à l'art antérieur précédent est illustrée sur la figure 1 d. La cathode 1 selon cet art antérieur comprend un pavé émissif 2 et un pavé chauffant 6. Le pavé chauffant 6 comprenant de l'alumine est brasé sur le pavé émissif 2, un filament nu 3 étant brasé sur le pavé chauffant 6. Le transfert d'énergie thermique du pavé chauffant 6 vers le pavé émissif 2 est réalisé par conduction mais une partie de l'énergie thermique est dissipée par rayonnement. Par ailleurs, le brasage du pavé chauffant 6 sur le pavé émissif 2 est relativement fragile en raison de la masse importante du pavé chauffant 6 et de la température, environ 1000°C, nécessaire pour faciliter l'émission d'électrons.

Selon la demande de brevet EP 2498372, il est proposé une cathode 1 illustrée sur la figure 1 e. La cathode 1 comprend un support de graphite 8 servant de pavé chauffant 6 sur lequel un revêtement émissif 9 comprenant un mélange de tungstène et d'oxydes de terres rares est déposé par pulvérisation cathodique. Le graphite servant de pavé chauffant 6 est chauffé par effet joule.

Cette solution permet de réaliser une cathode 1 dépourvue de filament 3. Toutefois, le support de graphite utilisé nécessite un temps relativement long avant d'atteindre une température suffisamment élevée pour permettre émission d'électrons. Par ailleurs, la circulation du courant à l'intérieur du support graphite 8 se fait suivant le chemin le moins résistif, le chauffage n'est donc pas homogène. Par exemple, si le contact électrique est réalisé au milieu du support de graphite 8, le courant circulera préférentiellement dans la partie centrale du matériau, le chauffage se fera préférentiellement dans la partie centrale du matériau.

Par ailleurs, le procédé de réalisation d'une cathode selon ce document est relativement long puisqu'il requiert une mise sous vide du support de graphite pour réaliser le dépôt du revêtement émissif, le brasage d'un pavé émissif sur le support de graphite 8 étant particulièrement difficile à réaliser, le matériau de brasure migrant dans les porosités du graphite. Dans ce contexte, il est proposé une cathode 1 de masse relativement faible et de faible coût permettant un démarrage rapide. Il est aussi proposé un procédé d'élaboration rapide de cette cathode 1 .

Selon un aspect de l'invention, il est proposé une cathode à émission thermoélectronique comprenant : un premier bloc émissif et un deuxième bloc chauffant, le deuxième bloc de chauffage étant brasé sur au moins une surface non émissive du premier bloc permettant un transfert thermique par conduction. Le premier bloc émissif comprend au moins une surface d'émission d'électrons configurée pour émettre des électrons dans au moins une direction préalablement définie et au moins une surface non émissive. Le deuxième bloc de chauffage comprenant un premier matériau thermiquement isolant et réfractaire, le premier matériau étant recouvert d'une couche d'un deuxième matériau résistif destinée à être connectée à une source de courant, la couche de matériau résistif assurant le chauffage du deuxième bloc.

La cathode ainsi réalisée ne comprend pas de filament ce qui la rend insensible aux vibrations et facilite le contrôle de la qualité de la cathode durant son élaboration ou durant son utilisation. Avantageusement, le premier bloc émissif comprend au moins un logement adapté pour recevoir au moins une partie du deuxième bloc chauffant. Préférentiellement, le logement et la partie du deuxième bloc chauffant ont une forme complémentaire ce qui facilite le procédé d'élaboration de la cathode.

Dans un mode de réalisation, le deuxième bloc chauffant est en forme de bille ce qui facilite l'usinage. De plus, une fois la bille disposée dans le logement, celle-ci ne nécessite pas de maintien lors de l'étape de brasage.

La couche du deuxième matériau résistif comprend du graphite. Alternativement, la couche du deuxième matériau résistif comprend un alliage comprenant du molybdène et du manganèse. Avantageusement, la couche du deuxième matériau résistif a une épaisseur inférieure à 20 microns, cet intervalle de valeurs permettant un chauffage rapide du deuxième bloc chauffant. Avantageusement, le premier matériau thermiquement isolant et réfractaire comprend de l'alumine ou de la zircone.

Alternativement, le premier matériau et le deuxième matériau sont identiques. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé d'élaboration d'une cathode comprenant : une première étape de préparation d'un premier bloc émissif, le premier bloc émissif comprenant au moins une surface d'émission d'électrons et au moins une surface non émissive, une deuxième étape de préparation d'un deuxième bloc chauffant, le deuxième bloc chauffant comprenant un premier matériau thermiquement isolant et réfractaire et étant recouvert d'une couche d'un deuxième matériau résistif. Le procédé comprend en outre une unique étape de brasage comprenant une sous-étape de brasage du deuxième bloc chauffant sur le premier bloc émissif et deux sous-étapes de brasage des contacts électriques. Une étape de brasage unique permet d'économiser des heures de main d'œuvre.

Dans un premier mode de réalisation, l'étape de brasage est réalisée par application d'un fort courant électrique, supérieur à une dizaine d'ampères, entre un premier contact disposé sur le deuxième bloc chauffant et un deuxième contact disposé sur le premier bloc émissif.

Dans un deuxième mode de réalisation, l'étape de brasage est réalisée par induction. Ces méthodes de brasage permettent de réaliser les trois brasures de manière quasi-instantanée.

Avantageusement, le dépôt de la couche du deuxième matériau résistif sur le premier matériau thermiquement isolant est réalisé au pinceau ou par une méthode de trempage.

Ces méthodes de dépôt permettent encore une fois d'économiser du temps de main d'œuvre. Alternativement, le dépôt de la couche du deuxième matériau résistif sur le premier matériau isolant est réalisé par pulvérisation cathodique ce qui permet un meilleur contrôle de l'épaisseur de la couche déposée.

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 : les figures 1 a à 1 d décrites précédemment représentent différentes cathodes réalisées selon l'art connu, la figure 2 représente un mode de réalisation d'une cathode, selon un aspect de l'invention, la figure 3 représente un mode de réalisation privilégié de la cathode, selon un aspect de l'invention.

La figure 2 représente une cathode thermoélectronique, selon un aspect de l'invention. La cathode 1 comprend un premier bloc émissif 10 et un deuxième bloc chauffant 1 1 , le deuxième bloc chauffant 1 1 étant brasé sur le premier bloc émissif 10.

Le premier bloc émissif 10 comprend au moins une surface émissive 12, en l'espèce le premier bloc émissif 10 comprend deux surfaces d'émission 12, une surface d'émission 12 étant destinée à émettre des électrons dans une direction préalablement définie. Le bloc émissif 10 comprend par ailleurs au moins une surface non émissive 13.

Le deuxième bloc chauffant 1 1 comprend un premier matériau thermiquement isolant et réfractaire 14, le premier matériau 14 étant recouvert d'une couche d'un deuxième matériau résistif 15 destiné à être connecté à une source d'alimentation en courant. La disposition du deuxième matériau résistif 15 sur toute la surface du premier matériau 14 permet un chauffage homogène, et par voie de conséquence, une émission d'électrons homogène sur toute la surface d'émission 12. Par ailleurs, le recouvrement de toute la surface du premier matériau permet d'obtenir des couches du deuxième matériau résistif 15 très fines. Il est aussi possible de recouvrir partiellement la surface du deuxième matériau à l'aide d'une bande ou d'un fil d'épaisseur supérieure à 30 μιτι. Avantageusement, le premier matériau 14 comprend une céramique notamment connue pour leur capacité de résistance aux températures élevées. Avantageusement, le deuxième matériau 15 est suffisamment conducteur pour permettre le passage du courant tout en étant suffisamment résistif, typiquement la résistance est de l'ordre de un ohm, pour permettre le chauffage du deuxième bloc chauffant. Avantageusement, l'épaisseur de la couche du deuxième matériau résistif 15 est inférieure à vingt microns, au delà de cette limite la couche du deuxième matériau 15 n'est pas assez résistive pour permettre un chauffage rapide du deuxième bloc chauffant 1 1 .

Avantageusement, le deuxième bloc chauffant 1 1 est brasé sur l'une des faces non émissives 13 du premier bloc émissif 10 ce qui permet un transfert de chaleur du bloc chauffant 1 1 vers le bloc émissif 10 par conduction.

La figure 3 représente un mode de réalisation privilégié de l'invention.

En l'espèce, le premier bloc émissif 10 comprend du tungstène poreux, les pores étant remplis d'un mélange d'oxyde de baryum, d'oxyde de calcium et d'oxyde d'aluminium. Le premier bloc émissif 10 est de forme cylindrique de 3 mm de diamètre et de 1 mm d'épaisseur. Il comprend une surface d'émission 12 de forme concave permettant de focaliser les électrons expulsés sous l'effet de l'élévation de la température et un logement 16 de forme concave et de rayon de courbure adaptée pour recevoir une partie du bloc chauffant 1 1 .

Le deuxième bloc chauffant 1 1 est de forme sphérique de 3 mm de diamètre. La bille comprend un premier matériau isolant thermiquement et réfractaire 14 pouvant être de l'alumine ou la zircone, le premier matériau 14 étant recouvert d'une couche d'un deuxième matériau résistif 15 pouvant être du graphite ou un alliage comprenant du molybdène et du manganèse. Alternativement, le premier matériau 14 et le deuxième matériau 15 sont identiques. Avantageusement, la bille peut comprendre une céramique faiblement conductrice électriquement. Alternativement, la céramique peut comprendre des particules métalliques ou d'oxydes métalliques réparties de manière homogène ou définissant un chemin résistif à l'intérieur de la céramique. Dans les exemples présentés, la céramique associe les fonctions de l'isolation thermique correspondant au premier matériau 14 et de conducteur électrique correspondant au deuxième matériau 15.

Avantageusement, la cathode comprend une jupe 7b limitant les pertes par rayonnement du premier bloc émissif 10 et du deuxième bloc 1 1 chauffant constitué de la bille, la jupe 19 comprenant un matériau conducteur électriquement et réfractaire tel que molybdène ou le rhénium. La jupe 7b est fixée sur le premier bloc émissif 10 de manière à ne pas gêner l'extraction des électrons, avantageusement la jupe 7b est de forme cylindrique.

La cathode 1 est destinée à être connectée à une source d'alimentation 19 en courant via des contacts électriques 17a et 17b comprenant du tungstène et préférentiellement du molybdène, les contacts électriques 17a et 17b étant brasés sur le deuxième bloc chauffant 1 1 et sur le premier bloc émissif 10, respectivement.

Le brasage entre le premier bloc émissif 10 et le deuxième bloc chauffant 1 1 est réalisé à l'aide d'un matériau de brasage 18 adapté.

La cathode 1 ainsi réalisée a une masse d'environ 200 mg soit 2 à 3 fois inférieure à la masse d'une cathode dite « pottée » et une masse inférieure à la cathode proposée selon l'art antérieur EP 2498372, en effet pour obtenir une résistivité équivalente à celle obtenue selon l'invention, la couche de graphite 8 doit être relativement épaisse. La cathode de faible masse est bien adaptée pour être utilisée dans des projectiles.

La cathode 1 selon l'invention permet un chauffage rapide du premier bloc émissif 10 qui peut alors émettre très rapidement des électrons. Elle est bien adaptée à des tubes à ondes progressives à démarrage rapide, inférieure à 2 secondes, utilisés dans des missiles notamment.

Par ailleurs, le contrôle de la qualité de la cathode 1 est facilement réalisable par un simple contrôle visuel de l'intégrité de la couche du deuxième matériau résistif ce qui n'est pas le cas d'une cathode 1 comprenant un filament potté 7 par exemple.

Le procédé de réalisation de la cathode à émission thermoélectronique selon l'invention comprend une première étape de préparation du premier bloc émissif 10, une deuxième étape de préparation du deuxième bloc chauffant 1 1 et une troisième étape comprenant une sous-étape de brasage du bloc chauffant 1 1 sur l'une des faces non émissives 13 du premier bloc émissif 10 et deux sous-étapes de brasage des contacts électriques 17a et 17b sur le deuxième bloc chauffant 1 1 et le premier bloc émissif 10, les trois sous- étapes étant réalisées simultanément.

La première étape du procédé consiste essentiellement à réaliser des surfaces d'émission 12 dans un matériau comprenant du tungstène poreux et des oxydes métalliques à l'intérieur des pores.

La deuxième étape du procédé consiste à recouvrir le premier matériau 14 comprenant une céramique telle que l'alumine ou la zircone d'un deuxième matériau 15 résistif. Cette étape peut être réalisée par pulvérisation cathodique ce qui permet un meilleur contrôle de l'épaisseur de la couche du deuxième matériau 15 déposée. Préférentiellement, le dépôt de la couche du deuxième matériau 15 résistif est réalisée par trempage du premier matériau 14 dans une solution comprenant le deuxième matériau 15 ou par application au pinceau, ces techniques de dépôt permettant d'augmenter la cadence de production des cathodes car elles ne nécessitent pas de mise sous vide et ont un coût relativement faible.

La troisième étape de brasage du procédé comprend en outre une sous- étape consistant à mettre en contact les différents éléments à braser. Avantageusement, le premier bloc émissif 10 comprend un logement 16 de forme adaptée pour recevoir au moins une partie du deuxième bloc chauffant 1 1 . Ainsi, il est possible de déposer le deuxième bloc chauffant 1 1 dans le logement 16 du premier bloc émissif 10, il n'est alors plus nécessaire de maintenir le deuxième bloc chauffant 1 1 lors du brasage de celui-ci sur le premier bloc émissif 10. Par ailleurs, le premier contact électrique 17a est mis en contact avec le deuxième bloc chauffant 1 1 et le deuxième contact électrique 18b est mis en contact avec le premier bloc émissif 10.

Selon un premier mode de réalisation du procédé, les contacts électriques 17a ; 17b sont connectés à une source d'alimentation en courant destinée à délivrer un fort courant d'environ 10 A sous une tension de 1 V environ. La circulation du fort courant électrique permet un chauffage suffisant pour réaliser les différentes brasures.

Selon un deuxième mode de réalisation du procédé, l'étape de brasage est réalisée par induction. Une spire alimentée en haute fréquence génère un champ magnétique qui produit un courant. Le passage du courant à travers un matériau résistif de brasage permet un chauffage suffisant pour permettre le brasage le matériau de brasage utilisé étant préférentiellement du graphite, un matériau bon conducteur électrique n'étant pas adapté pour à ce type de brasage.

Préférentiellement l'étape de brasage est réalisée sous atmosphère réductrice de manière à éviter l'oxydation de la brasure ce qui la fragiliserait.

Le procédé proposé selon un aspect de l'invention évite de multiples traitements thermiques successifs ce qui diminue les heures de main d'œuvre nécessaire à la réalisation d'une cathode 1 d'un facteur environ égal à 5 par rapport à une cathode dite « pottée » par exemple.