Cathode émettrice d'électrons et procédé pour sa fabrication. L'invention se rapporte à une cathode émettrice d'électrons, telles que celles utili sées dans les tubes à vide dits tubes ther- mioniques, comprenant un corps bon conduc teur recouvert d'une couche d'une substance émettant des électrons dans une mesure re lativement élevée, à une température relati vement basse.
Suivant l'invention ledit corps comprend un métal difficilement oxydable, qui ne fond qu'à de très hautes températures et ne présente qu'une faible volatilité, et un autre métal pouvant pénétrer, à l'état d'oxyde, en quantité relativement grande dans la couche émettrice d'électrons, sa présence dans cette couche émettrice augmentant notable ment la mesure de l'émission.
Dans le procédé de fabrication d'une telle cathode, le corps de celle-ci est formé d'un alliage comprenant principalement un métal bon conducteur, difficilement oxydable et ne présentant qu'une faible volatilité, et une quantité relativement petite d'un second métal relativement facilement oxydable, et relativement volatil. Ce corps est d'abord recouvert au moyen de la substance émettrice d'électrons, puis est soumis à la cuisson. en présence de l'oxygène pour qu'une réaction chimique se produise entre le second métal faisant partie du corps métallique et la subs tance recouvrant ledit corps, cette cuisson étant suivie d'une seconde cuisson, mais cette fois en l'absence d'oxygène.
Le dessin ci-joint, donné à titre d'exemple, se rapporte à une forme d'exécution de l'ob jet de l'invention. La fig. 1 représente, en grand, un filament conducteur pouvant être utilisé comme cathode émettrice d'électrons quand il est constitué comme il est indiqué ci-dessous. La fig. 2 montre l'emploi d'un tel filament dans un tube à vide à trois élec trodes, du genre thermionique. Dans chacune de ces figures la cathode est indiquée en 2 sous la forme d'un fil plat torsadé ayant par exemple une largeur d'environ 0.3 de millimètre et une épaisseur d'environ 0.05 de millimètre.
Les filaments formés d'un corps métalli que recouvert d'oxydes de métaux du groupe alcalino-terreux sont bien connus, et l'on emploie souvent des filaments de platine re couvert de couches alternées d'hydroxyde de strontium et de résinate de baryum.
On a cependant découvert que l'on peut obtenii des filaments présentant une plus grande activité au point de vue de l'émission des électrons que ceux ordinairement utilisés, en constituant le corps de ces filaments d'un alliage de platine et de nickel. Si un tel corps, recouvert d'un carbonate d'un métal du groupe alcalino-terreux, est soumis à la cuisson à l'air libre, des oxydes de nickel et du métal alcalino-terreux se forment, pour constituer ensuite un composé contenant du nickel sous forme d'oxyde et l'oxyde du mé tal alcalino-terreux.
Si une nouvelle opéra tion de cuisson a lieu ensuite à l'intérieur d'un tube dans lequel on fait le vide durant cette opération, de l'oxygène est éliminé, et il ne reste qu'une couche d'oxyde alcalino- terreux en contact intime avec du nickel fi nement divisé.
On a constaté que pour un corps formé de cet alliage de nickel et de platine recouvert d'oxyde d'un métal alcalino- terreux et soumis à la cuisson à l'air libre, comme le nickel se volatilise et s'oxyde beaucoup plus rapidement que le platine, une réaction importante a lieu entre la -ma tière recouvrant le corps et le nickel, tandis que la réaction s'exerçant entre le platine et cette matière est très petite.
Quand le fila ment ainsi obtenu est utilisé comme cathode dans un tube vide d'air, et qu'il a été tra versé pendant environ seize heures par un courant le maintenant à la température nor male de travail, on observe une puissance émettrice d'électrons à peu prés double de celle offerte par un filament formé d'un corps en platine recouvert d'un oxyde de métaux alcalino-terreux en contact in4lime avec le platine finement divisé introduit dans ledit oxyde par les réactions mentionnées.
L'alliage donnant les résultats les plus satis- faisants comprend 95 % de platine et 5 % de nickel. Ces pourcentages ont été établis en tenant compte des conditions de malléabilité que doit présenter le corps pour être trans formé sous forme de fil, du degré d'activité qu'offre la cathode finie, et de la durée de service que l'on peut exiger d'elle.
Si l'on veut conserver ces divers avantages, les va riations permises dans les proportions de platine et de nickel entrant dans la compo sition du corps sont très faibles, et cela pro vient principalement du taux de volatilisa- tion de la cathode quand elle est en service dans le tube à vide. A température égale, un corps formé seulement de platine est beaucoup plus rapidement détruit par volati- lisation qu'un corps formé d'un alliage de platine et de nickel en quantité relativement petite.
Toutefois le nickel étant très volatil, si ce métal entre en trop grande quantité dans l'alliage, on constate une diminution de durée de la cathode. Quand la quantité de nickel dépasse les 10% de l'alliage, la durée de la cathode devient plus petite que si son corps était formé seulement de platine, et quand la quantité de nickel entrant dans l'alliage est inférieure à 2 %,
la cathode offre une durée ne différant pas sensiblement de celle d'une cathode à corps en platine pur. Il résulte donc que la quantité de nickel entrant dans l'alliage sera de préférence com- prise entre 10 % et 2 0/a. De plus,
un pour- centage supérieur à 2/o de nickel est dési rable afin que la couche recouvrant le corps de la cathode adhère fortement à celle-ci.
L'alliage mentionné précédemment et conte- nant 95 0% de platine et 5 % de nickel rem- plit ces conditions, ruais il n'est donné tou tefois qu'à titre d'exemple, car le but principal est d'obtenir une cathode émettant à un très haut degré des électrons. On va décrire maintenant, à titre d'exem ple, un procédé pour la fabrication de la cathode dont il a été question jusqu'ici.
Les éléments constitutifs de l'alliage sont très soigneusement mélangés dans les propor- tions voulues (par exemple 95 % de platine et 5% de nickel)
et sous la forme de parti- cules métalliques finement pulvérisées. Le mélange est soumis à la pression dans une matrice en acier, de manière à former un lingot uniforme présentant les dimensions et la forme désirée. Pour un lingot pesant 25 grammes, la forme la plus convenable consiste en un cylindre d'un diamètre d'environ 10 mm. La pression voulue pourrait être exercée sur le lingot à la main, mais il est préféra ble qu'elle atteigne plusieurs milliers de kilo grammes par centimètre carré, ce qui peut s'obtenir aisément par l'emploi d'une presse hydraulique.
Le lingot est ensuite fondu dans un récipient vide d'air ou rempli d'un gaz inerte. Cette fusion peut se faire en pla çant le lingot dans un petit creuset en matière réfractaire, telle que la magnésie ou autre substance analogue, et en renfermant ce creu set dans un fourneau vide d'air d'un type quelconque. Un genre de fourneau utilisé avec succès comprend un espace ou chambre dont l'air peut être évacué au moyen d'une bonne pompe à huile capable de pousser le vide jusqu'à ce que la pression ne soit plus que 0.001 mm. de mercure. Dans cette chambre se trouve une bobine hélicoïdale de chauffage formée de 'graphite, de tungstène ou autres substances convenables et qui entoure le creuset.
La bobine est chauffée par le pas sage d'un courant électrique de grande in tensité à bas voltage, provenant de l'enroule ment secondaire d'un transformateur dévol- teur. La partie supérieure de la chambre est disposée de manière telle que l'on peut ob server la température du lingot au moyen d'un pyromètre optique. Comme le point de fusion du nickel se trouve vers 14500 centi grades et que celui du platine est d'environ <B>17500</B> centigrades, la température nécessaire pour fondre le lingot est comprise entre 1500 et<B>1800".</B> La durée de l'opération doit être aussi courte que possible, afin que la quan tité de nickel qui s'évapore soit très faible.
Evidemment cette durée dépend des dimen sions du lingot, et par exemple dans le cas d'un lingot du poids de 25 grammes présen tant la forme d'un cylindre d'environ 10 mm de diamètre, l'opération de fusion dans le creuset ne doit durer quo quelques minutes.
On peut aussi réaliser la température voulue pour la fusion, en fixant le lingot entre deux électrodes dans un ballon en verre, duquel l'air est éliminé, et en faisant passer un-courant de chauffe à travers le lingot en l'accroissant continuellement jusqu'à ce que la température d'environ 1500 cen tigrades soit atteinte. Dés que l'on a constaté cette température, par exemple au moyen d'un pyromètre optique, le courant est coupé. De la sorte, la température de fusion n'est appliquée qu'un moment, et la durée de l'opération est d'environ un quarantième du temps nécessaire lorsque le lingot est traité de la manière précédente.
La pression maintenue par la pompe pen dant l'opération est de 0.01 à 0.001 de mil limètre de mercure, bien que probablement un vide de quelques millimètres suffirait. Cependant, en opérant dans un récipient pra tiquement vide d'air ou au milieu d'un gaz inerte, on a l'avantage que l'oxydation du nickel est empêchée.
Pour la, fusion du lingot on pourrait em ployer aussi un four à induction.
Après avoir subi cette opération de fusion, le lingot est forgé afin de lui donner la forme d'une tige, qui passe à l'état de fil et qui est étirée aux dimensions voulues à tra vers des coussinets' d'étirage, par exemple en diamant. Ces différentes opérations sont faites à froid,' car si l'alliage de platine et de nickel était travaillé à chaud il se pro duirait une oxydation du nickel et la matière deviendrait cassante.
L'alliage est d'ailleurs soumis au recuit à des fréquents intervalles de temps pendant les diverses opérations de forgeage et d'étirage, et l'on doit même avoir grand soin aux différentes étapes de la fabrication de ne point pousser le travail trop loin sans exercer le recuit, car alors la matière devient cassante et se fendille. La manière suivant laquelle se fait le recuit varie avec les différentes étapes de la fabri cation, c'est-à-dire avec les dimensions que présente le corps, et spécialement avec sa longueur. En général, plus grand est le dia mètre, plus haute doit être la température du recuit, qui doit varier entre 11001, centi grades et la température de fusion, qui est d'environ<B>17000</B> centigrades.
Au point de vue de la durée, il est seulement nécessaire d'amener le corps à la température choisie pour le recuit, puis de le laisser refroidir. Dans cette opération on doit surtout éviter l'oxydation du nickel. Lors de la première étape de la fabrication, c'est-à-dire quand le lingot présente les dimensions mentionnées ci-dessus, l'opération du recuit se fait de pré férence à la flamme du chalumeau oxhydri que et le refroidissement a lieu d'abord dans une flamme d'hydrogène réductrice, obtenue en supprimant la fourniture de gaz prove nant du réservoir d'oxygène, et cela jusqu'à ce que le lingot soit ramené à la chaleur du rouge, puis ensuite le lingot étant retiré de la flamme est plongé dans l'eau.
Quand le corps a augmenté considérablement de longueur, la manière qu'il est préférable d'utiliser consiste à le figer entre des électrodes dans un tube vide d'air, et de faire passer à travers lui un courant électrique afin de l'amener à la température voulue, laquelle doit se trouver parmi les premières valeurs de la série allant de<B>11000</B> à<B>16000</B> centigrades ainsi qu'il a été expliqué ci-dessus. Si par hasard, le corps s'oxydait pendant l'opération, on peut élimi ner l'oxyde ainsi formé en chauffant le corps dans un tube vide d'air pendant quelques minutes à la températures d'environ 1000 centigrades.
Le fil obtenu comme décrit, convient très bien pour former le corps des cathodes, après avoir été laminé à froid dans la forme d'un ruban ayant par exemple une largeur de 0.3 mm et une épaisseur de 0.05 mm, son aspect final étant celui d'un filament torsadé, de la forme que l'on utilise souvent pour les cathodes dans les tubes thermioniques. Pour donner à cette cathode une grande puissance au point de vue de l'émission des électrons, on recouvre le corps d'un oxyde d'un métal quelconque du groupe alcalino-terreux.
Cela se fait en appliquant une couche de carbonate ou de l'hydroxyde du métal envisagé, et en chauffant le corps ainsi recouvert à l'air libre à une température d'environ 1200 centigra des, pendant cinq à vingt minutes, au moyen d'un courant le traversant. Ce corps est en suite chauffé par un nouveau courant pendant quelques minutes à la température de<B>10000</B> centigrades, et cela dans un tube dans lequel on fait le vide pendant l'opération.
On peut aussi obtenir un filament offrant une plus grande durée et une émission d'élec trons uniforme pendant une beaucoup plus longue période, en appliquant sur le corps de platine et de nickel plusieurs couches, chacune étant de préférence formée de car bonate de strontium et de carbonate de ba ryum. On applique de préférence un total d'environ seize couches de ces carbonates. La matière devant recouvrir le corps est, de préférence, incorporée dans une substance solide ayant des propriétés analogues à celles de la paraffine, en agitant les quantités voulues de carbonate de strontium et de car bonate de baryum dans le même bain de ladite substance, à l'état de fusion, par exem ple dans un bain de paraffine fondue, jusqu'à ce que le mélange soit refroidi.
Le produit obtenu est ensuite disposé sous la forme de barreaux ou toutes autres formes convenables. On a trouvé que, de préférence, les divers éléments entrant dans le mélange doivent être dans le rapport suivant : 2 1/2 grammes de carbonate de baryum, 7'/2 grammes de carbonate de strontium, et 100 grammes de paraffine. Pour appliquer les différentes cou ches, le barreau contenant les carbonates est frotté tout le long du corps chauffé à l'aide d'un courant à une température suffisamment haute pour fondre la paraffine, de telle ma nière qu'une couche de la substance formant le barreau recouvre le corps.
Après l'applica tion de chacune des couches, on fait passer un courant à travers le ruban pour l'amener momentanément à la chaleur du rouge afin d'enlever la paraffine et réduire le composé alcalino-terreux en un oxyde qui adhère for tement au filament. Pendant toute cette opéra tion de recouvrement, le filament doit être main tenu sur des supports convenables quelcon ques. Après que la dernière couche a été appliquée, le filament est recuit à l'air libre pendant environ cinq à vingt minutes et à une température d'environ 1200 centigrades. Conformément à ce qui a été dit plus haut, le filament est plus tard chauffé dans un tube pendant plusieurs minutes à la tempé rature d'environ<B>10000</B> centigrades et cela pendant que le vide est réalisé dans ce tube.
Après que le filament a été traversé par son courant normal de travail dans un tube vide d'air, pendant environ seize heures, il pré sente une émission d'êlectrons presque double, à d'autres conditions égales, de celle d'un filament obtenu en recouvrant des mêmes matières un corps formé seulement de platine.
Un des avantages les plus importants de l'alliage décrit ici est qu'il est formé de mé taux purs tels que du platine et du nickel dont la composition peut être facilement con trôlée par l'analyse chimique, tandis que les filaments ordinairement utilisés jusqu'à pré sent contenaient du platine mélangé avec différentes quantités d'iridium et de rhodium, dont l'analyse offre plus de difficultés.
Le nickel produit un accroissement désirable de la résistance chimique du corps ainsi que le fait l'iridium et le rhodium dans les filaments ordinairement utilisés, mais il est évident que ces deux derniers métaux peuvent être, si on le désire, introduits dans le mélange pulvérisé de platine et de nickel servant à la construction du corps de la cathode afin d'accroitre encore cette résistance ohmique. Un autre avantage réside dans le fait que pour obtenir l'adhérence suffisante de la cou che d'oxyde sur le corps du filament, celui- ci doit être soumis à la cuisson pendant près de deux heures quand le corps est formé en platine, tandis que dans le cas où il est formé d'un alliage de platine et de nickel,
une cuisson de cinq à vingt minutes suffit. Cette différence provient probablement de ce que l'oxydation superficielle du corps du fi lament, qui doit se produire pour que la couche recouvrant le corps soit solidarisée avec celui-ci, a lieu beaucoup plus rapide ment si le corps contient du nickel, puisque ce dernier métal s'oxyde beaucoup plus vite que le platine.
On doit observer que, si dans cette description on a mentionné le platine et le nickel comme convenant pour former l'alliage envisagé, d'autres corps ayant des qualités équivalentes peuvent être évidemment utilisés, c'est-à-dire que le platine peut être remplacé par d'autres métaux bons conduc teurs, difficilement oxydables et ne présentant qu'une faible volatilité, comme par exemple le palladium, l'osmium, le rhodium, l'iridium, ou le ruthénium, tandis que le nickel peut être remplacé par d'autres métaux, tels que le cobalt, relativement facilement oxydables et qui soumis à la cuisson puissent être assimilés en quantité relativement grande, et à l'état d'oxyde, par la couche émettrice d'électrons.