FR2726121A1 - Radiant thermionic cathode heater for direct heating of cathode in electron tube - Google Patents
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Abstract
Description
DISPOSITIF DE CHAUFFAGE PAR RAYONNEMENT POUR CATHODE A
CHAUFFAGE INDIRECT
La présente invention concerne un dispositif de chauffage par rayonnement pour cathode à chauffage indirect de tube électronique, ainsi qu'une cathode munie d'un tel dispositif de chauffage.RADIATION HEATING DEVICE FOR CATHODE A
INDIRECT HEATING
The present invention relates to a radiation heating device for a cathode with indirect heating of an electronic tube, as well as a cathode provided with such a heating device.
Les dispositifs de chauffage par rayonnement pour cathode à chauffage indirect connus sont généralement formés d'un filament de tungstène ou de molybdène, disposé en regard de la cathode. Lorsqu'on fait circuler un courant électrique de valeur appropriée dans le filament il émet un rayonnement thermique. Pour émettre des électrons la cathode doit être chauffée à une température élevée, par exemple de l'ordre de 850"C pour une cathode à oxydes et de l'ordre de 1050"C pour une cathode imprégnée. Radiation heating devices for known indirect heating cathode are generally formed from a tungsten or molybdenum filament, placed facing the cathode. When an electric current of suitable value is circulated in the filament it emits thermal radiation. To emit electrons the cathode must be heated to a high temperature, for example of the order of 850 "C for an oxide cathode and of the order of 1050" C for an impregnated cathode.
La figure 1 représente schématiquement un exemple d'un canon à électrons pour tube à faisceau linéaire muni d'un dispositif de chauffage de l'art connu. Sur cette figure, la cathode référencée 1 a la forme d'une pastille ayant une face émissive concave et hémisphérique. La cathode est montée sur un support 6 conducteur sensiblement cylindrique dénommé jupe. Le dispositif de chauffage consiste en un filament 2 de tungstène ou de molybdène maintenu sur un support 3 isolant. Le filament 2 est souvent plié en deux et enroulé en spirale. Le support isolant 3 comporte des rainures dans lesquelles sont insérées les spires du filament 2 pour les isoler les unes des autres. Le filament 2 est en regard direct avec la face arrière de la cathode 1. Son rayonnement chauffe la cathode 1. Les extrémités 4,5 du filament sont diamétralement opposées.L'une des extrémités 5 est généralement portée au potentiel de la cathode et l'autre 4 à un potentiel autre. FIG. 1 schematically represents an example of an electron gun for a linear beam tube fitted with a heating device of the known art. In this figure, the cathode referenced 1 has the shape of a pellet having a concave and hemispherical emissive face. The cathode is mounted on a substantially cylindrical conductive support 6 called a skirt. The heating device consists of a filament 2 of tungsten or molybdenum held on an insulating support 3. Filament 2 is often folded in half and wound in a spiral. The insulating support 3 has grooves in which the turns of the filament 2 are inserted to isolate them from each other. The filament 2 is directly facing the rear face of the cathode 1. Its radiation heats the cathode 1. The ends 4,5 of the filament are diametrically opposite. One of the ends 5 is generally brought to the potential of the cathode and the 'other 4 to another potential.
Au lieu de prévoir un support avec des rainures, on peut enfiler des perles isolantes autour du filament, ces dernières reposent sur un support isolant ou non. Instead of providing a support with grooves, one can thread insulating beads around the filament, the latter rest on an insulating support or not.
La présence du support qui augmente le coût du dispositif de chauffage est nécessaire car le filament 2 de tungstène ou de molybdène en chauffant se dilate et se déforme. II permet le maintien du dispositif de chauffage au voisinage de la partie à chauffer. The presence of the support which increases the cost of the heating device is necessary because the filament 2 of tungsten or molybdenum when heated expands and deforms. It allows the heating device to be maintained in the vicinity of the part to be heated.
De plus, les cathodes qui utilisent ce type de dispositif de chauffage ne peuvent être montées dans des équipements soumis à des conditions d'environnement sévères car les filaments qui sont relativement fins pour obtenir une résistance électrique appropriée, risquent de vibrer ce qui perturbe l'émission électronique. In addition, cathodes which use this type of heating device cannot be mounted in equipment subjected to severe environmental conditions because the filaments which are relatively fine to obtain an appropriate electrical resistance, are likely to vibrate which disturbs the electronic transmission.
Le filament de tungstène ou de molybdène doit être porté à une température bien supérieure à celle que doit atteindre la cathode pour émettre. La durée de vie de la cathode et sa fiabilité sont fonction des cycles de température imposés au filament. On recherche bien entendu à l'utiliser à une température, la plus basse possible, mais qui permet l'émission d'électrons. The tungsten or molybdenum filament must be brought to a temperature much higher than that which the cathode must reach to emit. The lifetime of the cathode and its reliability depend on the temperature cycles imposed on the filament. We are of course looking to use it at a temperature as low as possible, but which allows the emission of electrons.
La présente invention vise à remédier à ces inconvénients en proposant un dispositif de chauffage par rayonnement pour cathode à chauffage indirect simplifié car il ne nécessite plus de support. Le dispositif de chauffage par rayonnement comporte, à proximité de la cathode, un élément destiné à rayonner en graphite. Cet élément destiné à rayonner est autoporteur. De préférence, le graphite sera pyrolitique car le graphite classique du commerce est relativement fragile. The present invention aims to remedy these drawbacks by proposing a radiation heating device for a simplified indirect heating cathode since it no longer requires a support. The radiation heating device comprises, near the cathode, an element intended to radiate graphite. This element intended to radiate is self-supporting. Preferably, the graphite will be pyrolitic because conventional commercial graphite is relatively fragile.
L'élément destiné à rayonner peut comporter un plateau ajouré définissant un réseau de conducteurs électriques. De préférence, les conducteurs seront répartis sensiblement régulièrement à la surface du plateau de manière à ce que le rayonnement soit aussi homogène que possible au niveau de la cathode. The element intended to radiate may comprise an openwork plate defining a network of electrical conductors. Preferably, the conductors will be distributed substantially regularly over the surface of the plate so that the radiation is as homogeneous as possible at the cathode.
Pour cela, le plateau peut comporter des fentes en forme d'arcs de cercles concentriques et les fentes situées sur deux cercles successifs sont en quinconce. For this, the plate may include slots in the form of arcs of concentric circles and the slots located on two successive circles are staggered.
Dans une autre configuration, I'élement destiné à rayonner peut être en forme de cage et être entouré par la cathode. In another configuration, the element intended to radiate may be in the form of a cage and be surrounded by the cathode.
II est préferable de prévoir un écran pour réfléchir vers la cathode au moins une partie du rayonnement émis dans une direction autre. It is preferable to provide a screen for reflecting towards the cathode at least part of the radiation emitted in a different direction.
La présente invention concerne aussi une cathode à chauffage indirect muni d'un tel dispositif de chauffage. The present invention also relates to an indirect heating cathode provided with such a heating device.
La présente invention sera mieux comprise et l'aide de la description qui suit, faite à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles
- la figure 1 déjà décrite illustre partiellement un canon à électrons muni d'un dispositif de chauffage par rayonnement de type connu;
- la figure 2 représente partiellement et en coupe un canon à électrons muni d'un dispositif de chauffage par rayonnement selon l'invention;
- la figure 3 une coupe partielle du canon à électrons de la figure 2 montrant le dispositif de chauffage;
- la figure 4 une vue de dessus du dispositif de chauffage de la figure 2;
- la figure 5 une vue éclatée d'une cathode cylindrique creuse chauffée par un dispositif de chauffage selon l'invention.The present invention will be better understood and the aid of the description which follows, given by way of nonlimiting examples, with reference to the appended figures, among which
- Figure 1 already described partially illustrates an electron gun provided with a known type of radiation heating device;
- Figure 2 partially shows in section an electron gun fitted with a radiation heating device according to the invention;
- Figure 3 a partial section of the electron gun of Figure 2 showing the heating device;
- Figure 4 a top view of the heating device of Figure 2;
- Figure 5 an exploded view of a hollow cylindrical cathode heated by a heating device according to the invention.
On se réfère maintenant aux figures 2 et 3. La cathode porte la référence 10. Elle est, dans cet exemple particulier, en forme de coupelle. Reference is now made to FIGS. 2 and 3. The cathode bears the reference 10. It is, in this particular example, in the form of a cup.
C'est sa face concave qui émet des électrons. La périphérie de la cathode 10 est montée de manière classique sur un support 11 cylindrique conducteur ou jupe qui est électriquement relié à un collet d'alimentation 12.It is its concave face which emits electrons. The periphery of the cathode 10 is conventionally mounted on a cylindrical support 11 or skirt which is electrically connected to a supply collar 12.
Le dispositif de chauffage par rayonnement est situé à l'intérieur de la jupe 11. II comporte selon l'invention un élément 9 destiné à rayonner réalisé en graphite et situé à proximité de la cathode 10. Dans l'exemple de la figure 2,
L'élément 9 en graphite comporte une partie en forme de plateau 13 ajouré en regard direct avec la face convexe de la cathode 10. Lorsque cet élément 9 en graphite est parcouru par un courant électrique de valeur appropriée il rayonne et chauffe la cathode 10.The radiation heating device is located inside the skirt 11. It comprises, according to the invention, an element 9 intended to radiate made of graphite and located near the cathode 10. In the example of FIG. 2,
The graphite element 9 comprises a part in the form of a perforated plate 13 directly facing the convex face of the cathode 10. When this graphite element 9 is traversed by an electric current of appropriate value, it radiates and heats the cathode 10.
Le plateau 13 qui dans cet exemple est circulaire comporte sur sa face en regard avec la cathode une série de fentes 14 en forme d'arc de cercles concentriques. Ces fentes 14 définissent un réseau de conducteurs 15. Les conducteurs sont de préférence répartis sensiblement régulièrement de manière à engendrer un chauffage de la cathode aussi homogène que possible. Dans l'exemple décrit on a placé trois fentes 14 par cercle, décalées de 1200 et les fentes 14 appartenant à deux cercles consécutifs sont disposées en quinconce. La figure 4 montre la disposition des fentes 14 et six secteurs égaux apparaissent. Chaque secteur est équivalent à une résistance et les six résistances sont montées en parallèle. D'autres dispositions du réseau de conducteurs 15 sont bien sur possibles. The plate 13 which in this example is circular has on its face opposite the cathode a series of slots 14 in the form of an arc of concentric circles. These slots 14 define a network of conductors 15. The conductors are preferably distributed substantially regularly so as to generate heating of the cathode as homogeneous as possible. In the example described, three slots 14 have been placed per circle, offset by 1200 and the slots 14 belonging to two consecutive circles are staggered. Figure 4 shows the arrangement of the slots 14 and six equal sectors appear. Each sector is equivalent to one resistor and the six resistors are connected in parallel. Other arrangements of the network of conductors 15 are of course possible.
L'alimentation électrique de l'élément 9 en graphite se fait, dans l'exemple décrit, d'une part par le bord du plateau 13 et de l'autre par sa zone centrale. Le bord du plateau 13 se prolonge par une couronne 16. La couronne 16 est reliée électriquement au collet 12 d'alimentation de la cathode 10. Sur la figure 2 on voit que la couronne 16 est fixée directement au collet 12 d'alimentation de la cathode 10. On a représenté une fixation par vissage entre la couronne 16 et le collet 12 d'alimentation de la cathode. The power supply of the graphite element 9 is done, in the example described, on the one hand by the edge of the plate 13 and on the other by its central zone. The edge of the plate 13 is extended by a crown 16. The crown 16 is electrically connected to the collar 12 for supplying the cathode 10. In FIG. 2 we see that the crown 16 is fixed directly to the collar 12 for supplying the cathode 10. An attachment is shown by screwing between the crown 16 and the collar 12 for supplying the cathode.
Trois vis 19 à 1200 peuvent être réparties sur la couronnel6 mais les figures 2 et 3 n'en montrent qu'une. La partie centrale du plateau 13 est reliée électriquement à un second collet 20 d'alimentation porté à un potentiel différent de celui du premier collet 12. Les deux collets 12,20 sont isolés électriquement l'un de l'autre de manière classique grâce à un isolateur 21 généralement en céramique. Dans l'exemple décrit, la liaison électrique entre la partie centrale du plateau 13 et le collet 20 est assurée par une tige conductrice 23 dont une extrémité est fixée au collet 20 et l'autre au plateau 13. La tige 23 peut être réalisé en métal tel que du molybdène. Le plateau 13 peut être vissé à la tige 23 et cette dernière peut être soudée au collet 20. D'autres moyens de fixation peuvent bien sur être envisagés.Three screws 19 to 1200 can be distributed on the crown 6, but Figures 2 and 3 show only one. The central part of the plate 13 is electrically connected to a second supply collar 20 brought to a potential different from that of the first collar 12. The two collars 12, 20 are electrically isolated from each other in a conventional manner by virtue of an insulator 21 generally made of ceramic. In the example described, the electrical connection between the central part of the plate 13 and the collar 20 is provided by a conductive rod 23, one end of which is fixed to the collar 20 and the other to the plate 13. The rod 23 can be made in metal such as molybdenum. The plate 13 can be screwed to the rod 23 and the latter can be welded to the collar 20. Other fixing means can of course be envisaged.
L'élément en graphite 9 rayonne dans toutes les directions et il est préférable de prévoir un écran pour réfléchir vers la cathode 10 au moins une partie du rayonnement thermique émis dans une direction autre. Deux plaques réfléchissantes 22 jouent ce rôle d'écran, elles sont montées l'une au dessus de l'autre sur la tige 23, sous le plateau 13. Le rayonnement thermique émis par le plateau dans une direction opposée à celle de la cathode est renvoyé vers la cathode. The graphite element 9 radiates in all directions and it is preferable to provide a screen for reflecting towards the cathode 10 at least part of the thermal radiation emitted in another direction. Two reflecting plates 22 play this role of screen, they are mounted one above the other on the rod 23, under the plate 13. The thermal radiation emitted by the plate in a direction opposite to that of the cathode is returned to the cathode.
Le choix du graphite est motivé pour ses propriétés thermiques, mécaniques, électriques. The choice of graphite is motivated for its thermal, mechanical and electrical properties.
L'une des plus importantes qualités du graphite réside dans sa grande capacité de rayonnement thermique très proche de celle du corps noir théorique. One of the most important qualities of graphite resides in its great capacity of thermal radiation very close to that of the theoretical black body.
La puissance P rayonnée par un corps est donnée par la loi de
Stéfan.The power P radiated by a body is given by the law of
Stefan.
P=aE T4
avec a = constante de Stéfan s = coefficient d'émissivité du corps
T = température en Kelvin du corps.P = aE T4
with a = Stéfan constant s = body emissivity coefficient
T = temperature in Kelvin of the body.
Le coefficient d'émissivité du graphite est de l'ordre de 0,9 alors qu'il est de l'ordre de 0,3 pour le molybdène et le tungstène. The emissivity coefficient of graphite is around 0.9 while it is around 0.3 for molybdenum and tungsten.
Pour une même surface d'émission et une même température, un filament en graphite rayonne une puissance plus grande qu'un filament en tungstène ou en molybdène. Pour que la cathode atteigne sa température d'émission, un filament en graphite doit être porté à une température inférieure à celle à laquelle devrait être portée un filament en tungstène ou en molybdène de mêmes dimensions. For the same emission surface and the same temperature, a graphite filament radiates a greater power than a tungsten or molybdenum filament. In order for the cathode to reach its emission temperature, a graphite filament must be brought to a temperature lower than that to which a tungsten or molybdenum filament of the same dimensions should be brought.
Une puissance électrique réduite est requise dans un canon à électrons utilisant un dispositif de chauffage selon l'invention. En conséquence le rendement du canon est augmenté par rapport à celui des canons classiques. Reduced electrical power is required in an electron gun using a heater according to the invention. As a result, the efficiency of the gun is increased compared to that of conventional guns.
Le graphite à de très bonnes propriétés mécaniques à chaud, il ne se dilate pratiquement pas et ne flue pas ce qui permet de se passer de support. Avec un élément destiné à rayonner en tungstène ou en molybdène c'est impossible. La bonne tenue mécanique à haute température du graphite augmente la fiabilité de la cathode. II est préférable de réaliser l'élément destiné à rayonner en graphite pyrolitique car le graphite commercialisé est relativement fragile et l'épaisseur et la largeur des conducteurs de l'élément destiné à rayonner sont faibles. Le graphite pyrolitique est généralement obtenu par décomposition thermique d'un hydrocarbure gazeux sur la surface d'un support porté à une très haute température sous une ambiance contrôlée. Une couche de graphite est ainsi déposée et son épaisseur dépend de la durée et des paramètres de dépot. Graphite has very good mechanical properties when hot, it practically does not expand and does not creep, which eliminates the need for support. With an element intended to radiate tungsten or molybdenum it is impossible. The good mechanical strength at high temperature of the graphite increases the reliability of the cathode. It is preferable to produce the element intended to radiate in pyrolitic graphite because the graphite sold is relatively fragile and the thickness and the width of the conductors of the element intended to radiate are small. Pyrolitic graphite is generally obtained by thermal decomposition of a gaseous hydrocarbon on the surface of a support brought to a very high temperature under a controlled environment. A graphite layer is thus deposited and its thickness depends on the duration and the deposit parameters.
Dans le cas de l'élément destiné à rayonner, on réalise une ébauche en forme de plateau et cette ébauche est tournée puis découpée de manière classique par usinage laser, sablage ou jet d'eau par exemple. Avec du graphite du commerce, on part d'un bloc plein et la taille est plus difficile.In the case of the element intended to radiate, a blank in the form of a plate is produced and this blank is turned and then cut in a conventional manner by laser machining, sandblasting or water jet for example. With commercial graphite, we start from a solid block and the size is more difficult.
Une autre propriété intéressante du graphite pyrolitique ou du commerce est sa résistivité électrique qui est plus élevée que celle des métaux utilisés auparavant dans les dispositifs de chauffage. II en résulte que deux conducteurs de même résistance et de même longueur l'un en graphite et l'autre en tungstène auront des sections de passage du courant différentes. La section du conducteur en graphite est supérieure à celle de celui en tungstène. Si les sections des deux conducteurs sont de même épaisseur, la largeur du conducteur en graphite sera supérieure à celle du conducteur en tungstène. L'augmentation de largeur augmente la surface rayonnante face à la cathode et donc la puissance rayonnée. Cette augmentation de section contribue également à améliorer la tenue mécanique de l'élément destiné à rayonner. Another interesting property of pyrolitic or commercial graphite is its electrical resistivity which is higher than that of the metals previously used in heating devices. As a result, two conductors of the same resistance and the same length, one of graphite and the other of tungsten, will have different current flow sections. The cross-section of the graphite conductor is greater than that of the tungsten. If the sections of the two conductors are the same thickness, the width of the graphite conductor will be greater than that of the tungsten conductor. The increase in width increases the radiating surface facing the cathode and therefore the radiated power. This increase in section also contributes to improving the mechanical strength of the element intended to radiate.
La description des figures qui vient d'être faite concerne un dispositif de chauffage d'une cathode d'un tube à faisceau linéaire. Un dispositif de chauffage selon l'invention conviendrait également pour une cathode à chauffage indirect de tube à grille. Les cathodes utilisées sont généralement en forme de cylindre creux. La figure 6 représente schématiquement un dispositif de chauffage selon l'invention associé à une telle cathode. La cathode est référencée 30. L'élément destiné à rayonner 31 est en forme de cage sensiblement cylindrique dont les barreaux 32 dans l'exemple décrit sont droits et sensiblement parallèles. Ces barreaux 32 sont maintenus à leurs extrémités entre deux bandeaux 33. Le dispositif de chauffage ressemble alors aux grilles de ce type de tube. On peut aussi utiliser des barreaux qui se croisent de manière à définir des mailles triangulaires, hexagonales ou autre. Le dispositif de chauffage est inséré à l'intérieur de la cathode 30 qui est dessinée partiellement ici. Le dispositif de connexion électrique n'est pas représenté pour simplifier mais il pourrait se faire au niveau des deux bandeaux 33. Un écran sensiblement cylindrique peut etre prévu à l'intérieur de l'élément destiné à rayonner. The description of the figures which has just been made relates to a device for heating a cathode of a linear beam tube. A heating device according to the invention would also be suitable for a cathode with indirect heating of a grid tube. The cathodes used are generally in the form of a hollow cylinder. FIG. 6 schematically represents a heating device according to the invention associated with such a cathode. The cathode is referenced 30. The element intended to radiate 31 is in the form of a substantially cylindrical cage whose bars 32 in the example described are straight and substantially parallel. These bars 32 are held at their ends between two strips 33. The heating device then resembles the grids of this type of tube. One can also use bars which cross in order to define triangular, hexagonal or other meshes. The heating device is inserted inside the cathode 30 which is partially drawn here. The electrical connection device is not shown to simplify but it could be done at the level of the two strips 33. A substantially cylindrical screen can be provided inside the element intended to radiate.
L'invention n'est pas limitée aux éléments en graphite ayant les formes décrites et représentées. D'autres formes sont tout à fait envisageables sans sortir du cadre de l'invention. The invention is not limited to graphite elements having the shapes described and shown. Other forms are entirely possible without departing from the scope of the invention.
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Also Published As
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|---|---|
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|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20060630 |