L'utilisation d'émetteurs par effet de champ comme sources froides d'électrons dans les systèmes qui mettent en jeu des faisceaux électroniques s'avère à l'heure actuelle, aux yeux de nombreux spécialistes, potentiellement bien supérieure à celle des cathodes thermo-ioniques conventionnelles, en raison notamment du fait qu'ils sont capables, sans l'apport d'aucune énergie extérieure, de générer des faisceaux d'électrons fortement localisés et à très haute densité de courant, cela par simple application d'un champ électrique entre cathode et anode. Ces émetteurs par effet de champ se présentent généralement sous la forme de pointes extrêmement fines, de façon à mettre à profit le champ électrique intense qui règne au voisinage de tout conducteur fortement pointu pour maintenir à une valeur acceptable la tension requise pour créer l'émission d'électrons.
Le matériau le plus communément utilisé jusqu'à présent pour les émetteurs par effet de champ a été le tungstène, en raison principalement de son haut point de fusion, de sa grande résistance mécanique et de ses basses propriétés électriques.
On sait cependant que de tels émetteurs de tungstène ne peuvent fonctionner convenablement que dans des systèmes où il règne un vide très poussé (ultravide de l'ordre de 10-10 torr), leur émission devenant au contraire instable et leur durée de vie très limitée dès que la pression devient supérieure à 10-8 torr.
La présence d'un vide moyen entraîne en effet la formation de couches d'oxydes à la surface des pointes de tungstène et l'apparition de phénomènes d'érosion par bombardement ionique, cause d'une destruction rapide de ces pointes. L'exigence d'un ultravide pour les émetteurs de tungstène est évidemment tout à fait incompatible avec leur utilisation dans les tubes électroniques classiques, dans lesquels règne une pression de l'ordre de 10-6 à 10-8 torr, de telle sorte que leur emploi a été réservé jusqu'à présent à des dispositifs très spéciaux tels que tubes à rayons X à haute puissance ou microscopes électroniques à balayage.
La fabrication des pointes de tungstène exige par ailleurs l'application, consécutivement à l'appointage par attaque anodique, d'un traitement thermique destiné à éliminer toute trace d'oxyde, lequel traitement a pour effet d'émousser les pointes préalablement obtenues et d'en augmenter ainsi le rayon de leurs extrémités, de sorte que le fonctionnement correct des pointes de tungstène nécessite l'application de tensions relativement élevées.
On a essayé récemment, pour remplacer le tungstène, d'utiliser un certain nombre d'autres matériaux tels que des composés métalliques réfractaires comme les carbures de zirconium, de tungstène ou de tantale ou le borure de lanthane. On a également essayé d'autres matériaux tels que des whiskers de carbure de silicium ou des fibres de carbone. Cette dernière utilisation se révèle particulièrement prometteuse, puisqu'il a été démontré que des émetteurs en fibre de carbone étaient susceptibles de fonctionner correctement dans des gammes de pressions comparables à celles qui existent dans les tubes à vide utilisés industriellement, ces émetteurs en fibre de carbone pouvant par ailleurs être façonnés de façon suffisamment effilée pour émettre des électrons sous des tensions relativement basses (de tels émetteurs étant parfois appelés émetteurs basse tension).
La fabrication de ces émetteurs basse tension en fibre de carbone est cependant relativement complexe, puisqu'elle nécessite l'application de deux opérations successives, à savoir soumission de la fibre à une décharge corona dans l'air suivie d'une opération de claquage sous vide. Par ailleurs, la nature extrêmement fragile et cassante de tous les matériaux qui viennent d'être mentionnés n'autorise que très difficilement leur assemblage sur un support conducteur commun, en vue de réaliser des réseaux d'émetteur en forme de peigne.
La réalisation de tels réseaux d'émetteurs en forme de peigne est cependant impérative pour leur utilisation dans un certain nombre de tubes à rayons cathodiques, tel par exemple le tube vidéocathodique déjà décrit. Les tubes de ce type requièrent en effet la présence d'un ensemble de peignes d'émetteurs (par exemple 500 peignes de 500 émetteurs pour le tube vidéocathodique susmentionné) qui doivent satisfaire à un grand nombre d'exigences conjointes. Ces peignes doivent d'abord avoir des caractéristiques d'émission, donc en particulier des seuils d'émission qui sont reproductibles à la fois dans le temps et d'un émetteur à un autre (écart maximal toléré de + 100 V autour d'une valeur moyenne), afin que ces écarts n'entraînent pas de variations trop sensibles de l'intensité lumineuse entre deux points de l'écran issus de deux émetteurs distincts soumis à des conditions identiques.
Chacun des émetteurs constitutifs de ces peignes doit ensuite avoir une caractéristique courant-tension à pente suffisamment raide pour qu'on puisse considérer la tension d'émission comme pratiquement constante dans la gamme utile de courants émis. Ces exigences de seuil d'émission reproductible et de caractéristique courant-tension à pente raide sont satisfaites par rutilisation d'émetteurs à basse tension de seuil, c'est-Åa-dire des émetteurs très pointus qui présentent des seuils d'émission inférieurs ou égaux à des valeurs de l'ordre de 500 V, et qui sont susceptibles d'émettre des courants pouvant varier de 0,1 A à plus de 10 A lorsqu'ils sont soumis à des tensions variant entre des valeurs de l'ordre de 500 à 1000 V.
De tels peignes d'émetteurs doivent encore satisfaire à un certain nombre d'autres exigences.
Ils doivent ainsi posséder une grande résistance mécanique afin de pouvoir résister aux efforts importants dus aux champs d'émission élevés. Ils doivent également pouvoir être fabriqués en grande série de manière économique. Ils doivent surtout enfin pouvoir fonctionner dans des vides moyens de l'ordre de 10-6 à 10-7 torr avec des durées de vie élevées (de Tordre de 1000 à 10000 h en fonctionnement continu) tout en restant le plus stable possible.
Le matériau idéal pour de tels émetteurs par effet de champ devrait réunir les différentes propriétés suivantes. Il devrait d'abord posséder une résistance mécanique élevée, tout en étant apte à être préparé sous forme de peignes et a être façonné en masse sous forme de pointes extrêmement aiguës.
I1 devrait ensuite être suffisamment conducteur de l'électricité pour pouvoir conduire les électrons émis et évacuer une densité de courant maximale de l08A/cm2, de façon à éviter tout échauffement éventuel susceptible d'entraîner la détérioration de l'émetteur par fusion de la pointe ou par apparition d'un arc par vaporisation. Il devrait également présenter un point de fusion élevé et avoir une basse pression de vapeur de façon à éviter la destruction de l'émetteur sous l'effet des hautes intensités de courant dans la région d'émission. Il devrait par ailleurs posséder un rendement de pulvérisation cathodique très bas, de façon que les ions résultant de l'ionisation du gaz résiduel par les électrons émis viennent endommager le moins possible la pointe portée à un potentiel négatif.
Un tel matériau également ne devrait pas pouvoir former en surface des couches ayant une composition chimique différente de celle du matériau lui-même, la stabilité de l'émission n'étant en effet assurée que si l'état de la surface d'émission est stable (ce qui n'est pas le cas par exemple des matériaux recouverts superficiellement d'une couche d'oxyde, sauf dans la mesure où le matériau lui-même est un oxyde conducteur ou un composé inerte à l'oxy gène). Enfin, un tel matériau devrait ne pas présenter d'état liquide de façon qu'une fusion éventuelle de l'émetteur sous l'effet d'une surcharge (claquage) ne puisse entraîner qu'une modification de la structure de son émetteur, sans en altérer son caractère pointu et par conséquent ses caractéristiques d'émetteur basse tension.
La fusion d'un émetteur fait en un matériau qui présente un état liquide provoque en effet l'émoussement de la pointe et par conséquent la perte de ses propriétés d'émission à basse tension.
On ne connaît à l'heure actuelle aucun matériau qui soit susceptible à lui seul de réunir toutes ces propriétés, de sorte qu'il s'est révélé pratiquement impossible jusqu'à présent de réaliser des peignes qui présentent toutes les caractéristiques requises.
La présente invention a précisément pour but de remédier aux inconvénients susmentionnés en proposant un peigne d'émetteurs par effet de champ aux caractéristiques reproductibles et capable de fonctionner dans un vide moyen avec une durée de vie élevée, ainsi qu'un procédé pour fabriquer de tels peignes d'émetteurs en grande série et de manière économique.
A cet effet, la présente invention a pour objet un réseau d'émetteurs par effet de champ en forme de peigne, constitué par une armature conductrice de l'électricité de laquelle font saillie une pluralité de pointes capables d'émettre des électrons par effet de champ lorsqu'elles sont soumises à un potentiel d'extraction, caractérisé par le fait que chacune desdites pointes est constituée par un support pointu, dont au moins le sommet est recouvert d'une couche mince d'un matériau doué de propriétés élevées d'émission par effet de champ.
La présente invention a également pour objet un procédé pour fabriquer un réseau d'émetteurs en forme de peigne, à partir d'une ébauche constituée par une armature conductrice de l'électricité de laquelle font saillie une pluralité d'éléments longilignes, caractérisés par le fait qu'on appointe les extrémités libres de chacun desdits éléments longilignes et qu'ensuite on dépose au moins sur lesdites extrémités appointées une couche mince dudit matériau doué de propriétés élevées d'émission par effet de champ.
Le dessin annexé illustre, schématiquement et à titre d'exemple, une forme d'exécution du peigne d'émetteurs objet de la présente invention, ainsi qu'un forme d'exécution et une variante d'appareillages pour la mise en oeuvre du procédé de fabrication de ces peignes.
La fig. 1 est une vue en perspective, illustrant une forme d'exécution du peigne d'émetteurs selon l'invention.
La fig. 2 est une vue en coupe longitudinale illustrant un détail delafig. 1.
La fig. 3 est une vue schématique d'un appareil pour la mise en oeuvre d'une première phase du procédé selon l'invention.
La fig. 4 est une vue d'un appareil pour la mise en oeuvre d'une seconde phase de ce procédé.
La fig. 5 est une vue analogue à la fig. 4, illustrant une variante.
Le peigne d'émetteurs par effet de champ représenté à la fig. 1 comprend une armature conductrice de l'électricité 1, de l'un des bords longitudinaux 2, de laquelle font saillie une pluralité d'éléments longilignes 3 disposés parallèlement les uns aux autres et répartis régulièrement le long de ce bord 2. Les extrémités libres 4 de chacun de ces éléments 3 (fig. 2) revêtent la forme de pointes extrêmement aiguës de forme conique, dont le sommet possède un rayon de courbure de l'ordre de 1000 À. Ces éléments longilignes 3 sont faits en un matériau conducteur de l'électricité, doué d'une résistance mécanique élevée et apte à être façonné sous la forme de pointes extrêmement aiguës. De manière particulièrement avantageuse, ce matériau peut être (de même que le matériau constitutif de l'armature 1) de l'acier inoxydable.
Ce matériau peut également être du nickel ou même du tungstène.
Les extrémités pointues de ces éléments 3, de même que, de manière non obligatoire, le reste de ces éléments, sont recouverts d'une couche mince 5 d'un matériau doué de propriétés élevées d'émission par effet de champ. De manière particulièrement avantageuse, ce matériau peut être du carbone, lequel possède à un très haut degré les qualités requises plus haut. Le carbone est en effet un matériau extrêmement réfractaire, dont le rendement de pulvérisation est parmi les plus bas connus, dont les oxydes sont volatils à température ambiante, et qui ne présente pas d'état liquide jusqu'à plusieurs milliers d'atmosphères, quelle que soit la température. Par ailleurs, le carbone est un matériau abondant et peu coûteux. On peut également utiliser comme matériaux doués de propriétés d'émission par effet de champ, des matériaux réfractaires tels que des carbures ou du borure de lanthane.
Le borure de lanthane, notamment, constitue un matériau relativement stable et qui possède un travail d'extraction électronique bas, caractéristique très favorable pour l'obtention d'un émetteur basse tension. L'épaisseur de cette couche mince 5 est, de manière préférentielle, de l'ordre de 1000 .
Comme on peut aisément s'en rendre compte, c'est la structure composite du peigne décrit qui permet de satisfaire à la plupart des exigences mentionnées plus haut. Les éléments extrêmement pointus 3 montés sur l'armature commune I permettent en effet de procurer au peigne la résistance mécanique et la géométrie (réseau d'émetteurs en forme de peigne et émetteurs individuels en forme de pointe) requises et ils jouent en quelque sorte le rôle de supports mécaniques pour la couche mince de revêtement qui assure la fonction d'émission par effet de champ proprement dite.
Le peigne du réseau d'émetteurs selon l'invention peut être fabriqué à partir d'une ébauche 10 (fig. 3) constituée par une armature conductrice de l'électricité 1 1 de laquelle font saillie une pluralité d'éléments longilignes 13 disposés parallèlement les uns aux autres et répartis régulièrement le long de cette armature 11, par application successive de deux opérations distinctes, à savoir une première opération d'appointage qui consiste à transformer les extrémités libres 14 de ces éléments 13 en pointes extrêmement effilées, et une seconde opération de revêtement qui consiste à déposer sur la surface de ces pointes 14 une couche mince d'un matériau doué de propriétés d'émission de champ élevées.
L'ébauche 10 elle-même peut être obtenue de plusieurs façons différentes. Elle peut par exemple être obtenue par soudage d'une pluralité de fils fins sur une bande conductrice métallique. Pour fabriquer en nasse de telles ébauches par soudage, on peut par exemple disposer sous une trame de fils parallèles des bandes métalliques régulièrement espacées les unes des autres, puis souder rapidement les fils sur les bandes par passage d'un galet de soudure (procédé dit de soudage à la molette, bien connu dans l'industrie) et enfin obtenir les peignes désirés par découpe à la cisaille des fils entre chaque bande. Une telle ébauche 10 peut également être obtenue par découpage d'une feuille métallique mince par fraisage ou étampes, les ébauches de pointes ainsi obtenues ayant dans ce cas une section rectangulaire ou carrée.
Un tel procédé élimine la nécessité de rapporter et d'assembler des bandes et des fils. L'ébauche 10 peut enfin être obtenue par découpage photolithographique d'une feuille mince, les ébauches de pointes ainsi obtenues ayant dans ce cas une section polygonale.
Un tel procédé élimine la nécessité d'un usinage mécanique.
L'appointage des extrémités libres 14 des éléments 13 de l'ébauche 10 peut être obtenu par un certain nombre de méthodes telles que attaque chimique, attaque électrolytique, bombardement électronique ou pulvérisation cathodique. L'attaque anodine dans un bain d'électrolyte constitue cependant, parmi toutes ces méthodes, la méthode la plus simple à mettre en oeuvre pour obtenir une grande série des pointes fines et reproductibles.
Cette attaque anodique peut par exemple être effectuée à l'aide d'un dispositif du type représenté à la fig. 3, ou l'on peut voir une cuve 1 contenant un bain d'électrolyte 16, dans lequel plongent les extrémités libres des éléments 13 de l'ébauche 10 qui constitue l'une des électrodes, et dans lequel plonge également une contreélectrode 17, I'ébauche 10 et la contre-électrode 17 étant par ailleurs connectées respectivement à l'un et à l'autre pôle d'une source de courant continu 18.
Dans le cas de l'appointage d'éléments 13 en acier inoxydable, on peut utiliser de manière particulièrement avantageuse un bain 16 contenant de l'acide phosphorique, la contre-électrode étant alors en cuivre. On peut à cet effet utiliser par exemple un bain connu dans le commerce sous le nom de Molectrics, que l'on maintient à une température d'environ 75 C. On peut également utiliser un bain composé des éléments suivants:
25 cc PO4H3
3 cc S04H2
25 cc glycérine
5 cc H2O
0,5 gr SO4Cu
Le processus d'appointage peut être contrôlé par action sur la tension, le temps d'attaque et la profondeur d'immersion.
Exemple d'appoitztage:
On utilise une ébauche constituée par un peigne de 24 fils d'acier inoxydable de 0,2 mm de diamètre initial séparés par des intervalles de 2 mm, et un bain Molectrics maintenu à 75 C. On fait subir à cette ébauche la suite des opérations suivantes:
Opération d'amincissement destinée à réduire le diamètre des fils jusqu'à une valeur inférieure à 0,05 mm: trempage des fils dans le bain sur une hautuer de 4 mm avec attaque anodique de 15 s à 10 V. Cette première attaque a pour but de nettoyer les fils et de provoquer un premier amincissement cylindrique. On fait suivre ce premier trempage d'une succession alternative de trempage de durée très brève (environ 6 trempages à 10 V avec une hauteur d'immersion de 4 mm, chaque cycle de trempage durant environ 4 s).
Cette succession alternative de trempages a pour effet de provoquer un amincissement conique.
- Opération d'effilement destinée à procurer la forme finale de cône: trempage sur une hauteur de 1,5 mm suivi d'une attaque anodique de 10 V jusqu'à arrête complet du courant (environ S à lots).
- Opération de nettoyage final: trempage du peigne à une profondeur de 2 mm, application d'une courte impulsion d'attaque (10 V, 2 s), retrait des pointes hors du bain et enfin rinçage à l'eau distillée (par exemple froide et chaude).
On obtient de la sorte une série de pointes très fines en forme de cône, dont le rayon de courbure du sommet est très aigu (5:1000 A).
On fait suivre l'opération d'appointage d'une opération de dépôt d'une couche mince d'un matériau doué de propriétés élevées d'émission de champ. Le dépôt d'une couche mince de carbone sur chacune de ces pointes par exemple peut être obtenu avec des méthodes telles qu'arc électrique sous vide ou pyrolyse.
En ce qui concerne la méthode de l'arc électrique, il est souhaitable, d'une part, de présenter l'ébauche à revêtir sensiblement perpendiculairement à la direction du flux d'atomes de carbone évaporés de façon à obtenir une couche d'épaisseur régulière et maximale le long des tiges de pointes pour une quantité minimale de consommation des électrodes de l'arc et, d'autre part, de préchauffer l'ébauche durant l'évaporation de carbone à une température comprise entre 400 et 800 C, de façon à obtenir une bonne adhérence de la couche de carbone sur les pointes et à avoir une couche de carbone qui possède une résistivité électrique de l'ordre de celle du carbone amorphe massif. On sait en effet que les couches minces de carbone déposées sur un substrat froid présentent une résistivité électrique anormalement élevée.
En ce qui concerne cette méthode de l'arc électrique sous vide, plusieurs variantes peuvent être utilisées: arc électrique ponctuel entre deux électrodes de carbone, arc électrique diffus à partir d'une cathode de carbone présentant une certaine étendue, batterie d'arcs ponctuels ou batterie d'arcs diffus.
La méthode de l'arc électrique ponctuel, par exemple, peut être mise en oeuvre à l'aide du dispositif représenté à la fig. 4. Ce dispositif comprend une enceinte à vide 20 équipée d'une vanne 21 et de moyens de pompage 22, dans laquelle sont disposées deux électrodes de graphite en forme de ponte 23 et 24 se faisant vis-à-vis. L'une des électrodes 23 est reliée à la masse, cependant que l'autre électrode 24 est reliée à l'un des pôles d'une source de tension 25 dont l'autre pôle est également relié à la nasse.
Cette source de tension 25 peut fournir une tension de l'ordre 40 V et elle possède une impédance suffisamment basse pour pouvoir débiter des courants de l'ordre de 30 à 50 A. Audessous de ces électrodes 23 et 24 est disposée, perpendiculairement à la direction du flux d'atomes de carbone évaporés,
I'ébauche appointie 10, laquelle est montée sur un mécanisme (schématisé par un axe 26) capable de la faire pivoter de 180 (pivotement schématisé par la flèche 27). Entre les électrodes de graphite 23 et 24 et l'ébauche 10 est par ailleurs disposée une grille protectrice 28 reliée à la nasse, destinée à capter les courants ioniques résiduels. Enfin, au-dessous de l'ébauche 10 est disposé un ruban chauffant 29 dont les extrémités sont reliées à une source de courant 30.
Ce ruban chauffant 29 est destiné à porter durant l'évaporation l'ébauche 10 à une température comprise entre 400 et 800 C. L'ébauche 10 étant conductrice, on pourrait bien entendu, si on le désire, supprimer le rubam chauffant 29 et chauffer directement l'ébauche 10 par effet Joule. Le fonctionnement d'un tel dispositif est le suivant: on fait d'abord le vide à l'intérieur de l'enceinte 20 (vide de l'ordre de 10-5 torr), puis on préchauffe l'ébauche 10. Une fois que cette ébauche a atteint la température désirée, on rapproche les électrodes 23 et 24 I'une de l'autre et on branche la source 25 de façon à faire jaillir un arc électrique entre ces électrodes, puis on éloigne à nouveau ces électrodes l'une de l'autre de façon à stabiliser l'arc électrique.
Les atomes de carbone évaporés vont alors se déposer sur le côté des pointes de l'ébauche 10 situé en regard de ces électrodes. Lorsque la couche de carbone a atteint l'épaisseur désirée, on fait pivoter l'ébauche de 180 de façon à recouvrir l'autre côté des pointes de cette ébauche (nouvelle position de l'ébauche représentée en pointillés au dessin). On arrête l'évaporation lorsqu'on a obtenu l'épaisseur désirée. Cette épaisseur peut être déterminée par étalonnage préalable.
La fig. 5 illustre un dispositif pour la mise en oeuvre du processus de dépôt par arc électrique diffus. Ce dispositif comprend une enceinte à vide 40 équipée d'une vanne 41 et de moyens de pompage 42, dans laquelle sont disposées deux électrodes coaxiales distantes l'une de l'autre, respectivement une cathode cylindrique 44 en graphite, raccordée par l'intermédiaire d'une résistance de puissance 35 au pôle négatif d'une source de courant continu 45 (dont le pôle positif est relié à la nasse), et une anode 43 située au-dessous de la cathode 44 et reliée à la nasse.
Au-dessous de cette anode annulaire 43 est disposée l'ébauche 10 montée dans un mécanisme pivotant (schématisé par l'axe 46).
Entre l'anode 43 et l'ébauche 10 est disposée par ailleurs une grille protectrice 48 reliée à la nasse, cependant qu'un ruban chauffant 49 dont les extrémités sont raccordées à une source de courant 50 est disposé au-dessous de l'ébauche 10. Autour de la cathode 44 est encore disposée un organe d'allumage annulaire 34, susceptible d'être déplacé en translation par rapport à la cathode 44 et destiné à amorcer l'arc électrique diffus entre la cathode 44 et l'anode 43. Le fonctionnement de ce dispositif est analogue à celui décrit précédemment. A titre d'exemple, on soumet chaque côté de l'ébauche 10 à une évaporation de 60 secondes avec un courant d'arc de 50 A sous une pression de l'ordre de 10-4 torr.
On obtient à la surface de chacune des pointes de l'ébauche 10 une couche régulière de carbone qui présente une épaisseur de l'ordre de 1000 .
L'utilisation d'un arc électrique diffus présente l'avantage, par rapport à un arc électrique ponctuel, de posséder une relation reproductible entre le courant d'arc et le flux d'évaporation. Cet arc diffus donne par ailleurs un flux moins directionnel qu'un arc ponctuel, ce qui permet de mieux revêtir les surfaces non planes.
La méthode de dépôt par arc électrique peut donner lieu à de nombreuses variantes. On peut ainsi, par exemple, envisager d'utiliser toute une batterie d'arcs ponctuels ou d'arcs diffus en vue d'effectuer des revêtements en grande série. On peut de même envisager un dispositif pour revêtir en continu des peignes, dans lequel les peignes à revêtir se déplaceraient dans une sorte de tunnel équipé de batteries d'arcs situées de part et d'autre du chemin suivi par les peignes (la nécessité de faire subir aux peignes un pivotement de 180 étant ainsi éliminée).
La méthode par pyrolyse consiste à chauffer les parties à revêtir dans une atmosphère d'un hydrocarbure non saturé. Le dépôt de carbone se forme par craquage sur le support chaud.
Le réseau d'émetteurs selon l'invention présente l'avantage de pouvoir fonctionner dans des vides moyens avec des durées de vie élevées et de pouvoir être façonné sous la forme de pointes extrêmement aiguës, de façon à pouvoir émettre avec des seuils d'émission relativement bas. Sa structure composite particulière permet par ailleurs sa fabrication en grande série, économiquement et de manière reproductible.