EP0034512A2 - Elément chauffant pour cathode à chauffage indirect, procédé de fabrication d'un tel élément, et cathode à chauffage indirect comportant un tel élément - Google Patents

Elément chauffant pour cathode à chauffage indirect, procédé de fabrication d'un tel élément, et cathode à chauffage indirect comportant un tel élément Download PDF

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EP0034512A2
EP0034512A2 EP81400096A EP81400096A EP0034512A2 EP 0034512 A2 EP0034512 A2 EP 0034512A2 EP 81400096 A EP81400096 A EP 81400096A EP 81400096 A EP81400096 A EP 81400096A EP 0034512 A2 EP0034512 A2 EP 0034512A2
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J1/02—Main electrodes
    • H01J1/13—Solid thermionic cathodes
    • H01J1/20—Cathodes heated indirectly by an electric current; Cathodes heated by electron or ion bombardment
    • H01J1/24—Insulating layer or body located between heater and emissive material

Definitions

  • the present invention relates to a heating element for an indirectly heated cathode. It also relates to a method of manufacturing such an element and to indirectly heated cathodes comprising such an element.
  • Indirectly heated cathodes which are used in electronic tubes are well known in the prior art. They generally consist of an emissive disc brazed at one of the ends of a cylinder of non-emissive material which serves as a housing. Inside the cylinder is placed a filament which ensures the so-called indirect heating of the cathode.
  • the filament In cathodes with indirect heating by "potted” filament, the filament is less vulnerable to shocks and mechanical vibrations than in cathodes with indirect heating by free filament.
  • the present invention relates to cathodes with indirect heating by "potted" filament.
  • the "potting" consists of a mixture of alumina and of less than 10% by weight of an oxide of one of the elements of column III A of the periodic table of the elements, this mixture being sintered between 1700 and 1800 ° C.
  • the mixture consists of yttrium oxide and alumina of chemical composition 3 Y 2 O 3 . 5 Al 2 O 3 , plus alumina in the ⁇ phase
  • FIG. 1 represents a perspective view of an indirect heating cathode with potted filament.
  • This cathode consists of an emissive disc 1 which occupies one of the ends of a cylinder 2 made of non-emissive material.
  • the cylinder 2 is generally made of molybdenum. It serves as a housing for the cathode and is also called the "skirt" of the cathode.
  • a porous entungsten disc 1 is brazed. Brazing takes place around 1900 ° C.
  • a filament 3 made of tungsten or tungsten is introduced into the cylinder.
  • potting 4 which blocks the filament 3 in the cylinder.
  • the "potting" consists of a mixture of alumina and of less than 10% by weight of an oxide of one of the elements of column III A of the periodic table of the elements, this mixture being sintered between 1700 and 1800 ° C.
  • FIG. 2 shows a detail of the phase diagram of the alumina-yttrium oxide mixture, which is taken from the work: "Phase diagrams for Ceramists - 1969 - supplement”.
  • the thick line curve indicates the melting tempera- ture of the mixture of alumina Al 2 O 3, yttrium oxide Y 2 0 3 based on the percentages by weight of alumina and yttria.
  • This curve is discontinuous. For certain percentages of alumina and yttrium oxide, melting occurs at a lower temperature than for the other percentages, they are eutectic compositions.
  • the alumina-yttrium oxide mixture is a eutectic is interesting because it makes it possible to reduce the temperature of the sintering compared to pure alumina.
  • the chemical composition of the solid product obtained is the same over a wide range of the respective percentages of alumina and yttrium oxide. Indeed, it is difficult when making a mixture of powders - here alumina powder and yttrium oxide powder - to ensure that the mixture is perfectly well produced and that the percentage of bodies present is constant. Consequently, it is advantageous to obtain the same chemical compound even if the mixture is not perfectly homogeneous.
  • the alumina which enters into the composition of the "potting" can consist of several varieties of alumina of different particle size.
  • grains less than 10 ⁇ m in diameter and gains of 10 to 50 ⁇ m in diameter are used.
  • the "potting" can be carried out by sintering between 1700 and 1800 ° C. a mixture of alumina and less than 10% of a scandium oxide, lanthanum or actinium.
  • the chemical composition of the bodies obtained will be, in the case of lanthanum oxide, La 2 O 3 . 11 Al 2 O 3 plus alumina in the ⁇ phase and in the case of scandium oxide, Sc 2 O 3 . Al 2 03, plus alumina in the ⁇ phase.
  • the insulation layer deposited by cataphoresis on the filament 3 may be an alumina layer as has been indicated in the description of FIG. 1, but this insulation layer may also have the same composition as the mixture which is used for potting, for example alumina and yttrium oxide.
  • alumina powder firstly intimately mixing, with stirring for at least 24 hours, powder of an oxide of one of the elements of column III A of the periodic table of the elements and one or more alumina powders different particle size.
  • the alumina powder should not exceed 10% by weight of the mixture.
  • a binder is then added to the mixture so as to obtain a paste.
  • the face of the emissive disc 1 which is situated towards the inside of the cylinder 2 is coated with this paste 5. This step is shown in FIG. 3a.
  • the binder is slowly evaporated using an electric lamp, for example 100 W, or leaving to dry naturally.
  • the filament 3 is introduced into the cylinder 2. This step is shown in FIG. 3b.
  • the cylinder is then filled several times with the paste, the consistency of which can be modified by adding the binder.
  • the binder which may be acetone, is evaporated using the electric lamp.

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  • Solid Thermionic Cathode (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

Cet élément chauffant est constitué d'un filament (3) et d'un mélange (4), fritté entre 1700 et 1800°C, d'alumine et de moins de 10 % en poids d'oxyde d'yttrium. Ce mélange remplit l'espace laissé libre par le filament à l'intérieur du cylindre (2) obturé par un disque émissif (1) qui constitue la cathode.

Description

  • La présente invention concerne un élément chauffant pour cathode à chauffage indirect. Elle concerne également un procédé de fabrication d'un tel élément et les cathodes à chauffage indirect comportant un tel élément.
  • Les cathodes à chauffage indirect qui sont utilisées dans les tubes électroniques sont bien connues de l'art antérieur. Elles sont généralement constituées par un disque émissif brasé à l'une des extrê- mités d'un cylindre en matériau non émissif qui sert de boîtier. A l'intérieur du cylindre est placé un filament qui assure le chauffage dit indirect de la cathode.
  • On distingue deux types de cathodes à chauffage indirect :
    • - celles à chauffage par filament libre dans lesquelles le filament chauffe la cathode par rayonnement ;
    • - celles à chauffage par filament dit potté, dans lesquelles l'espace laissé libre par le filament à l'intérieur du cylindre est rempli par un corps bon conducteur thermique, électriquement isolant à la température de fonctionnement, dont le point de fusion est élevé et qui enfin ne réagit pas à la température de fonctionnement avec le filament et le cylindre.
  • Dans les cathodes à chauffage indirect par filament "potté", le filament est moins vulnérable aux chocs et aux vibrations mécaniques que dans les cathodes à chauffage indirect par filament libre.
  • La présente invention concerne les cathode à chauffage indirect par filament "potté".
  • Dans l'art antérieur, le "potting", c'est-à-dire le corps qui bloque le filament dans le cylindre, est constitué :
    • - par de la poudre d'alumine frittée vers 2000°C ;
    • - ou, par un mélange de poudre d'alumine et de poudre d'oxyde de calcium fritté entre 1750°C et 1800°C.
  • Selon la présente invention, le "potting" est constitué par un mélange d'alumine et de moins de 10 % en poids d'un oxyde d'un des éléments de la colonne III A de la table périodique des éléments, ce mélange étant fritté entre 1700 et 1800°C.
  • Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, le mélange est constitué d'oxyde d'yttrium et d'alumine de composition chimique 3 Y2 O3. 5 Al2 O3, plus de l'alumine en phase α
  • Le "potting" selon la présente invention présente les avantages suivants :
    • - le frittage est réalisé entre 1700 et 1800°C et cette température ne peut pas fragiliser le filament en tungstène ou en tungstène rhénium, comme c'est le cas lorsqu'on doit monter à 2000°C pour fritter de la poudre d'alumine pure ;
    • - le potting réalisé est solide et compact, il assure un bon contact thermique de longue durée entre le filament et le cylindre.Il assure un isolement électrique égal à celui obtenu avec un "potting " à base d'alumine uniquement.
    • - l'oxyde d'yttrium'qui peut être utilisé est stable et très pur. Son coefficient de dilatation linéaire α égal à 8, 18. 10-6 est très proche de celui des filaments couramment utilisés et identique à celui de l'alumine, ce qui permet d'obtenir un "potting" dont le coefficient de dilatation ne dépend pas des proportions d'alumine et d'oxyde.De plus, la conductibilité thermique de l'oxyde d'yttrium est identique à celle de l'alumine (λ = 0,017 cal. S-1. cm-1.e-1 à 1800°C et 0,013 à 1000°C). Enfin, la température de fusion de l'oxyde d'yttrium (2410°C) est inférieure à celle de l'oxyde de calcium par exemple (2572°C).
  • D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les figures annexées qui représentent :
    • - La figure 1, une vue en perpective d'une cathode à chauffage indirect à filament "potté" ;
    • - La figure 2, un détail du diagramme de phase du mélange alumine-oxyde d'yttrium ;
    • - Les figures 3a, b et c, des schémas illustrant le procédé de fabrication selon l'invention.
  • Sur les différentes figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments, mais, pour des raisons de clarté, les cotes et proportions des divers éléments ne sont pas respectées.
  • La figure 1 représente une vue en perspective d'une cathode à chauffage indirect à filament potté.
  • Cette cathode est constituée d'un disque émissif 1 qui occupe l'une des extrémités d'un cylindre 2 en matériau non-émissif.
  • Le cylindre 2 est généralement en molybdène. Il sert de boîtier à la cathode et on l'appelle aussi "jupe" de la cathode.
  • A l'une des extrémités du cylindre , on brase un disque 1 entungstène poreux. Le brasage s'effectue aux environs de 1900°C.
  • Ce brasage effectué, on introduit dans le cylindre un filament 3 en tungstène ou en tungstène rhénium recouvert par cataphorèse d'une couche d'isolement en alumine. On réalise le "potting" 4 qui bloque le filament 3 dans le cylindre.
  • On réalise ensuite à chaud, aux environs de 1750°C, l'imprégnation par de l'aluminate de baryum et de calcium du disque en tungstène poreux 1, ce qui rend ce disque émissif.
  • L'imprégnation du tungstène poreux se faisant vers 1750°C alors que le filament 3 se trouve dans le cylindre 2, il n'y a pas d'inconvénient à ce que pour l'élaboration du "potting", la température atteigne 1700 ou 1800°C comme c'est le cas pour l'élaboration du "potting" selon l'invention.
  • Selon l'invention, le "potting" est constitué par un mélange d'alumine et de moins de 10 % en poids d'un oxyde d'un des éléments de la colonne III A de la table périodique des éléments, ce mélange étant fritté entre 1700 et 1800°C.
  • La colonne III A de la table périodique des éléments comporte quatre éléments : le. scandium, Sc, l'yttrium, Y, le lanthane, La,et enfin l'actinium, Ac.
  • Nous allons prendre d'abord à titre d'exemple l'yttrium.
  • Sur la figure 2, on a représenté un détail du diagramme de phase du mélange alumine-oxyde d'yttrium, qui est extrait de l'ouvrage : "Phase diagrams for Ceramists - 1969 - supplement".
  • La courbe en trait épais indique la tempéra- ture de fusion du mélange alumine Al2 O3, oxyde d'yttrium Y2 03 en fonction des pourcentages en poids d'alumine et d'oxyde d'yttrium.
  • Cette courbe est discontinue. Pour certains pourcentages d'alumine et d'oxyde d'yttrium, la fusion se produit à une température plus faible que pour les autres pourcentages, ce sont des compositions eutectiques.
  • Sur la figure 2, on constate que pour le point A qui correspond sensiblement à 60 % d'alumine et 40 % d'oxyde d'yttrium, la température de fusion est de 1760°C. Autour du point A, on constate que la température de fusion est supérieure à 1760°C. De même, il est remarquable en observant la figure 2 qu'à partir d'un pourcentage supérieur à 43 % d'alu- nine environ, le mélange obtenu à l'état solide a la même constitution chimique qui est 3 Y2 O3 . 5 Al2 O3, plus de l'alumine en phase α.
  • Le fait que le mélange alumine-oxyde d'yttrium soit un eutectique est intéressant car il permet de diminuer la température du frittage par rapport à l'alumine pure. De même, il est intéressant que la composition chimique du produit solide obtenu soit la même dans un large domaine des pourcentages respectifs d'alumine et d'oxyde d'yttrium. En effet, il est difficile lorsqu'on effectue un mélange de poudres -ici la poudre d'alumine et la poudre d'oxyde d'yttrium- de s'assurer que le mélange est parfaitement bien réalisé et que le pourcentage des corps en présence est constant. Par conséquent il est intéressant d'obtenir un même composé chimique même si le mélange n'est pas parfaitement homogène.
  • On désire donc bénéficier des avantages du mélange alumine-oxyde d'yttrium par rapport à l'alumine pure,tout en cherchant à avoir un mélange comportant le maximum d'alumine.
  • En effet, si le mélange comporte trop d'oxyde d'yttrium, on risque le décollement du "potting" du cylindre qui sert de boîtier et le décollement du filament de son "potting".
  • Expérimentalement, on a déterminé qu'on obtenait le potting réunissant le maximum d'avantages souhaité en frittant entre 1700 et 1800°C et en limitant à 10 % en poids environ le pourcentage d'oxyde d'yttrium.
  • Il est cependant bien entendu qu'on obtient un "potting" de bonne qualité en frittant entre 1700 et 1800°C un mélange comportant environ 50 à 99 % d'alumine et donc environ 1 à 50 % d'oxyde d'yttrium.
  • Dans tous les cas, on obtient un mélange d'oxyde d'yttrium et d'alumine de composition chimique 3 Y2 O3 . 5 Al2 O3, - plus , de l'alumine en phase α.
  • Sur la figure 2, on n'a représenté que la partie intéressante du diagrammè de phase alumine-oxyde d'yttrium. En effet, sur le restant du diagramme, le pourcentage d'alumine est , faible (inférieur à 40 %) et la température dé'fusion et donc la température de frittage sont trop élevées.
  • L'alumine qui entre dans la composition du "potting" peut être constituée de plusieurs variétés d'alumine de granulométrie différente.
  • On utilise ainsi, par exemple,des grains de moins de 10 µm de diamètre et des gains de 10 à 50 pm de diamètre.
  • Le mélange de plusieurs variétés d'alumine permet, -de trouver un compromis entre les défauts et les qualités inhérents à chaque variété. En effet, l'alumine à grains fins se prend en masse facilement mais présente un retreintimportant. Alors que l'alumine à grains de grand diamètre se prend en masse plus difficilement mais constitue une masse poreuse sans retreint.
  • De même que cela vient d'être décrit en détail pour l'yttrium, le "potting" peut être réalisé en frittant entre 1700 et 1800°C un mélange d'alumine et de moins de 10 % d'un oxyde de scandium, de lanthane ou d'actinium. La composition chimique des corps obtenus sera dans le cas de l'oxyde de lanthane, La2 O3 . 11 Al2 O3 plus de l'alumine en phase α et dans le cas de l'oxyde de scandium, Sc2 O3 . Al2 03, plus de l'alumine en phase α.
  • On peut signaler que la couche d'isolement déposée par cataphorèse sur le filament 3 peut être une couche d'alumine comme cela a été signalé dans la description de la figure 1, mais cette couche d'isolement peut avoir aussi la même composition que le mélange qui sert à réaliser le potting, par exemple de l'alumine et de l'oxyde d'yttrium.
  • Sur les figures 3a, b et c, on a représenté. un procédé de fabrication d'un élément chauffant selon l'invention.
  • Selon ce procédé, on mélange d'abord intimement en agitant pendant 24 heures au moins, de la poudre d'un oxyde d'un des éléments de la colonne III A de la table périodique des éléments et une ou plusieurs poudres d'alumine de granulométrie différente. La poudre d'alumine ne doit pas dépasser 10 % en poids du mélange.
  • On ajoute ensuite au mélange un liant de façon à obtenir une pâte.
  • On tapisse avec cette pâte 5 la face du disque émissif 1 qui est située vers l'intérieur du cylindre 2. Cette étape est représentée sur la figure 3a. Ensuite, on fait s'évaporer lentement le liant en utilisant une lampe électrique, de 100 W par exemple, ou en laissant sécher naturellement.
  • On introduit le filament 3 dans le cylindre 2. Cette étape est représentée sur la figure 3b.
  • On remplit ensuite en plusieurs fois le cylindre avec la pâte dont la consistance peut être modifiée par addition du liant. A chaque fois qu"on a ajouté de la pâte dans le cylindre, on fait s'évaporer le liant, qui peut être de l'acétone, en utilisant la lampe électrique.
  • Enfin, on fritte sous hydrogène entre 1700 et 1800°C pendant une demi-heure environ de façon à obtenir le "potting" 4.
  • En faisant s'évaporer le liant lentement et au fur et à mesure qu'on ajoute une couche de pâte dans le cylindre, on évite la formation de bulles dues à une évaporation rapide du liant de la totalité de la pâte remplissant le cylindre.

Claims (9)

1. Elément chauffant pour cathode à chauffage indirect constituée d'un disque émissif (1) qui occupe l'une des extrémités d'un cylindre (2) en matériau non émissif, cet élément chauffant étant constitué d'un filament (3) situé à l'intérieur du cylindre et d'un mélange (4) fritté d'alumine et d'oxyde, qui remplit l'espace laissé libre par le filament à l'intérieur du cylindre, caractérisé en ce que ce mélange (4) est constitué d'alumine et de moins de 10 % en poids d'un oxyde d'un des éléments de la colonne III A de la table périodique des éléments, ce mélange étant fritté entre 1700 et 1800°C.
2. Elément chauffant selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce mélange (4) est constitué d'oxyde d'yttrium et d'alumine de composition chimique, 3 Y2 O3 . Al2 O3 plus de l'alumine en phase α .
3. Elément chauffant selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce mélange (4) est constitué d'oxyde de lanthane et d'alumine de composition chimique, La2 O3 . 11 Al2 O3 plus de l'alumine en phase α.
4. Elément chauffant selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce mélange (4) est constitué d'oxyde de scandium et d'alumine de composition chimique, Sc2 O3 . Al2 03 plus de l'alumine en phase α
5. Elément chauffant selon l'une des revendication 1 à 4, caractérisé en ce que ce mélange (4) comporte plusieurs variétés d'alumine de granulométrie différente.
6. Elément chauffant selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'une des variétés d'alumine' comporte des grains de moins de 10 µm de diamètre alors que l'autre variété comporte des grains de 10 à 50µm de diamètre.
7. Elément chauffant selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le filament (3) est en tungstène ou en tungstène rhénium recouvert par cataphorèse d'une couche d'isolement en alumine ou consituée par le mélange d'alumine et d'oxyde qui constitue le reste de l'élément chauffant.
8. Procédé de fabrication d'un élément chauffant selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
a) - on mélange intimement en agitant pendant 24 heures au moins, de la poudre d'un oxyde d'un des éléments de la colonne III A de la table périodique des éléments et une ou plusieurs poudres d'alumine de granulométrie différente, la poudre d'oxyde ne dépassant pas 10 % en poids du mélange ;
b) - on ajoute au mélange un liant de façon à obtenir une pâte
c) - on tapisse avec cette pâte la face du disque émissif (1) située vers l'intérieur du cylindre (2) en matériau non-émissif, puis on fait s'évaporer lentement le liant ;
d) - on introduit le filament (3) dans le cylindre ;
e) - on remplit en plusieurs fois le cylindre (2) avec la pâte dont la consistance peut être modifiée par addition du liant, en faisant s'évaporer chaque fois le liant ;
f) - on fritte sous hydrogène, entre 1700 et 1800°C.
9. Cathode à chauffage indirect, caractérisée en ce qu'elle comporte un,élément chauffant selon l'une des revendications 1 à 7 et en ce qu'elle est constituée d'un cylindre (2) en molybdène brasé à l'une de ses ex- trêmités sur un disque émissif (1) constitué de tungstène poreux imprégné à chaud d'aluminate de baryum et de calcium.
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