FR2669771A1 - IMPROVED CATHODE FOR MICROWAVE TUBES. - Google Patents

Abstract

Une cathode pour tube électronique hyperfréquence ayant une surface, cette surface ayant une partie émissive (1) ayant des bords et située à l'intérieur de ces bords, ladite surface ayant aussi au moins une partie non émissive (3) conductrice d'électricité, situé à l'extérieur et au voisinage immédiat desdits bords. La partie non émissive (3) adjacente à la partie émissive (1) assure la continuité des champs électriques sur la surface de la cathode au voisinage des bords de la partie émissive (1), ainsi les trajectoires électroniques ne sont pas perturbées par des champs inhomogènes pouvant exister aux bords des cathodes de l'art antérieur Application aux tubes hyperfréquence, et particulièrement aux gyrotrons.A cathode for a microwave electron tube having a surface, this surface having an emissive part (1) having edges and located inside these edges, said surface also having at least one non-emissive part (3) which conducts electricity, located outside and in the immediate vicinity of said edges. The non-emissive part (3) adjacent to the emissive part (1) ensures the continuity of the electric fields on the surface of the cathode in the vicinity of the edges of the emissive part (1), so the electronic trajectories are not disturbed by fields inhomogeneous which may exist at the edges of the cathodes of the prior art Application to microwave tubes, and particularly to gyrotrons.

Description

CATHODE AMELIOREE POUR TUBESIMPROVED TUBE CATHODE

HYPEREREQUENCEHYPEREREQUENCY

La présente invention concerne des tubes électroniques, et plus particulièrement des tubes électroniques hyperfréquence; précisément l'invention concerne une construction de la cathode  The present invention relates to electronic tubes, and more particularly to microwave electronic tubes; precisely the invention relates to a construction of the cathode

qui fournit les électrons dans ces tubes.  which supplies the electrons in these tubes.

Un tube électronique, de façon générale, comprend une source d'électrons, la cathode, et une ou plusieurs électrodes portées à des tensions différentes de la cathode, créant ainsi des champs électrostatiques à l'intérieur du tube Le tube est évacué pour permettre aux électrons d'évoluer sous la seule influence des champs électromagnétiques qui règnent à l'intérieur du tube, sans collisions avec des particules de gaz  An electronic tube, generally, includes an electron source, the cathode, and one or more electrodes brought to different voltages from the cathode, thus creating electrostatic fields inside the tube. The tube is evacuated to allow electrons to evolve only under the influence of the electromagnetic fields which reign inside the tube, without collisions with particles of gas

se trouvant sur leurs trajectoires.lying on their trajectories.

En général, une première électrode, l'anode, placée à proximité de la cathode et tenue à une tension positive par rapport à cette dernière accélère les électrons provenant de la surface de la cathode et leur donne une énergie cinétique Ee = Me V 2/2, o Me est la masse de l'électron, V est la vitesse  In general, a first electrode, the anode, placed near the cathode and held at a positive voltage relative to the latter accelerates the electrons coming from the surface of the cathode and gives them a kinetic energy Ee = Me V 2 / 2, where Me is the mass of the electron, V is the speed

de l'électron.of the electron.

Exprimée en électron-volts l'énergie acquise par l'électron est sensiblement égale à la tension entre la cathode  Expressed in electron volts, the energy acquired by the electron is substantially equal to the voltage between the cathode

et l'anode.and the anode.

Dans les tubes hyperfréquence conçus pour fonctionner à de hautes fréquences, de hautes puissances, des hauts rendements ou en d'autres situations o l'on souhaite obtenir de très hautes performances, les caractéristiques du faisceau  In microwave tubes designed to operate at high frequencies, high powers, high yields or in other situations where it is desired to obtain very high performance, the beam characteristics

d'électrons ainsi formé revêt une importance particulière.  of electrons thus formed is of particular importance.

L'homogénéité de la vitesse impartie aux électrons lors de leur accélération, l'homogénéité de la distribution spatiale des électrons et de leur vitesse finale dans le faisceau, la stabilité du faisceau sont autant de paramètres (cette liste n'est pas exhaustive) qu'il faut maîtriser pour extraire les plus hautes performances du canon à électrons et du tube qui de l'utilise. Puisque l'homogénéité spatiale et temporelle de plusieurs paramètres du faisceau est recherchée, il importe de réaliser des champs électrostatiques d'accélération qui soient aussi homogènes et symétriques que possible Pour ce faire, un grand soin sera apporté à la précision de la réalisation des pièces du canon à électrons, ainsi qu'à leur assemblage avec une précision  The homogeneity of the speed imparted to the electrons during their acceleration, the homogeneity of the spatial distribution of the electrons and their final speed in the beam, the stability of the beam are all parameters (this list is not exhaustive) that 'you have to master to extract the highest performance from the electron gun and the tube that uses it. Since the spatial and temporal homogeneity of several parameters of the beam is sought, it is important to produce electrostatic fields of acceleration which are as homogeneous and symmetrical as possible. To do this, great care will be taken to the precision of the production of the parts. of the electron gun, as well as their assembly with precision

de positionnement relatif aussi grande que possible.  relative positioning as large as possible.

Il reste néanmoins au moins un endroit o les champs varient rapidement dans l'espace, car les discontinuités ou les petits rayons de courbure aux extrémités des différentes électrodes font des concentrations de lignes de champ, ou, au contraire, des régions o les lignes de champs sont plus éparses ou espacées Ceci, car de toute façon, les électrodes sont de dimensions finies et donc ont au moins un bord Dans la région  There remains, however, at least one place where the fields vary rapidly in space, because the discontinuities or small radii of curvature at the ends of the different electrodes make concentrations of field lines, or, on the contrary, regions where the lines of fields are more sparse or spaced This, because in any case, the electrodes are of finite dimensions and therefore have at least one edge In the region

des bords des électrodes, les champs varient plus rapidement.  from the edges of the electrodes, the fields vary more quickly.

Il en résulte que les électrons empruntant une trajectoire dans ces régions n'ont pas le même comportement que les électrons qui ne sont pas près des bords Ces électrons on peut les appeler marginaux à deux titres: leurs trajectoires sont éloignées de la moyenne de l'ensemble, donc elles sont physiquement un peu en marge; d'autre part leur comportement est marginal en ce que ce n'est pas un comportement moyen de  It follows that the electrons following a trajectory in these regions do not have the same behavior as the electrons which are not near the edges These electrons can be called marginal for two reasons: their trajectories are far from the mean of the together, so they are physically a bit on the margins; on the other hand their behavior is marginal in that it is not an average behavior of

l'ensemble d'électrons.the set of electrons.

Dans l'art antérieur, pour pallier cet effet aux bords de la cathode, on peut placer une autre électrode non émissive au voisinage de ces bords Cette électrode de formation de faisceau, ou "Wehnelt", est généralement tenue à la tension de la cathode pour obtenir une homogénéité du champ électrique dans la région de la cathode, même au voisinage des bords de celle-ci. Puisque la cathode est très souvent portée à haute température pour en améliorer l'émission électronique, le Wehnelt est en conséquence isolé thermiquement de la cathode, ce qui permet de le maintenir à une température plus basse et d'éviter l'émission parasite provenant de cette électrode Cette isolation thermique est obtenue par un petit espacement entre la  In the prior art, to overcome this effect at the edges of the cathode, it is possible to place another non-emissive electrode in the vicinity of these edges. This beam-forming electrode, or "Wehnelt", is generally held at the voltage of the cathode. to obtain homogeneity of the electric field in the region of the cathode, even in the vicinity of the edges thereof. Since the cathode is very often brought to high temperature to improve the electronic emission, the Wehnelt is consequently thermally isolated from the cathode, which makes it possible to maintain it at a lower temperature and to avoid the parasitic emission coming from this electrode This thermal insulation is obtained by a small spacing between the

cathode et le Wehnelt.cathode and the Wehnelt.

Seulement, aux bords de la cathode et du Wehnelt qui sont séparés par ce petit espacement, il reste forcément des angles ou des arrondis avec des petits rayons de courbure, et on retrouve les mêmes problèmes cités ci-dessus Dans le voisinage de cet espace, le champ électrique varie rapidement, ce qui rend difficile son calcul, et le rend susceptible d'être irrégulier et donc de perturber fortement les trajectoires des électrons marginaux. Cet effet est particulièrement sensible dans les tubes du type gyrotron, dont le canon à électrons produit un faisceau d'électrons évoluant sur des trajectoires hélicoïdales dans un fort champ magnétique parallèle à l'axe du tube En effet, le rapport de la vitesse transverse Vt à la vitesse axiale Va doit avoir une valeur bien déterminée pour le bon fonctionnement du tube. Or, si l'on peut facilement déterminer la vitesse totale V= (Vt + V 2 a)1/2 d'électrons par les tensions électriques appliquées entre les différentes électrodes, et si cette valeur est peu sensible aux conditions d'émission d'électrons tel n'est pas le cas pour le rapport Vt/Va qui est au contraire très  Only, at the edges of the cathode and the Wehnelt which are separated by this small spacing, there inevitably remain angles or roundings with small radii of curvature, and we find the same problems cited above In the vicinity of this space, the electric field varies rapidly, which makes it difficult to calculate, and makes it liable to be irregular and therefore to strongly disturb the trajectories of marginal electrons. This effect is particularly noticeable in tubes of the gyrotron type, the electron gun of which produces an electron beam evolving on helical trajectories in a strong magnetic field parallel to the axis of the tube. Indeed, the ratio of the transverse speed Vt at the axial speed Va must have a clearly determined value for the proper functioning of the tube. Now, if we can easily determine the total speed V = (Vt + V 2 a) 1/2 of electrons by the electrical voltages applied between the different electrodes, and if this value is not very sensitive to the emission conditions d electrons such is not the case for the Vt / Va ratio which is on the contrary very

sensible à ces mêmes conditions.sensitive to these same conditions.

Le but de l'invention est d'assurer une forme simple des lignes de champ électrique au(x) bord(s) de la région émissive de la cathode, tout en gardant une isolation thermique  The object of the invention is to provide a simple shape of the electric field lines at the edge (s) of the emissive region of the cathode, while retaining thermal insulation.

suffisante entre la cathode et le Wehnelt.  sufficient between the cathode and the Wehnelt.

A ces fins, l'invention propose une construction de cathode pour tube électronique hyperfréquence, ladite cathode ayant une forme et une surface, ladite surface ayant une partie émissive d'électrons, cette partie émissive ayant des bords et étant située à l'intérieur de ces bords; caractérisée en ce que: à l'extérieur et au voisinage immédiat desdits bords, la surface de la cathode est non émissive d'électrons et  For these purposes, the invention provides a cathode construction for microwave electronic tube, said cathode having a shape and a surface, said surface having an electron emissive part, this emissive part having edges and being located inside these edges; characterized in that: outside and in the immediate vicinity of said edges, the surface of the cathode is non-emissive of electrons and

conductrice d'électricité.conductive of electricity.

Ceci peut être réalisé par exemple en mettant une matière réfractaire non émissive à la température de fonctionnement de la cathode, et conductrice d'électricité, dans le voisinage immédiat des bords de la partie émissive De cette façon le champ électrique aux bords de la partie émissive de la cathode reste homogène et uniforme, et varie peu, tandis que  This can be achieved for example by putting a non-emissive refractory material at the operating temperature of the cathode, and electrically conductive, in the immediate vicinity of the edges of the emissive part. In this way the electric field at the edges of the emissive part. of the cathode remains homogeneous and uniform, and varies little, while

l'émissivité varie brutalement de façon discontinue.  the emissivity varies abruptly discontinuously.

Du fait que cette matière réfractaire non émissive et conductrice est disposée en voisinage immédiat de la partie  The fact that this non-emissive and conductive refractory material is disposed in the immediate vicinity of the part

émissive de la cathode, elle sera portée à la même température.  emissive of the cathode, it will be brought to the same temperature.

L'isolement thermique de l'électrode de formation de faisceau Wehnelt sera assuré comme dans l'art antérieur, avec un espacement entre le Wehnelt et la partie réfractaire et non  The thermal insulation of the Wehnelt beam forming electrode will be ensured as in the prior art, with a spacing between the Wehnelt and the refractory part and not

émissive avoisinante.nearby emissive.

L'invention ne concerne pas la configuration de la cathode et l'électrode de formation ou Wehnelt; néanmoins, une caractéristique de l'invention permettrait de supprimer le  The invention does not relate to the configuration of the cathode and the training electrode or Wehnelt; nevertheless, a characteristic of the invention would make it possible to eliminate the

Wehnelt sans perdre les avantages associés à son utilisation.  Wehnelt without losing the benefits associated with its use.

Les caractéristiques et les avantages de l'invention seront  The characteristics and advantages of the invention will be

mieux compris à l'aide de la description qui suit, avec les  better understood using the following description, with the

dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs, dont: la figure 1 représente schématiquement et en coupe axiale un exemple d'une cathode selon l'art antérieur, sans électrode de formation de faisceau: la figure 2 a représente schématiquement et en coupe axiale un exemple typique de réalisation d'une cathode selon l'art antérieur, avec son électrode de formation de faisceau; la figure 2 b représente un détail de la figure 2 a; les figures 3 a et 3 b représentent schématiquement et en coupe axiale deux exemples typiques de réalisation d'une cathode selon l'invention, avec une électrode de formation de faisceau; la figure 4 représente schématiquement et en coupe axiale un autre exemple de réalisation d'une cathode selon l'invention, conçue spécifiquement pour fournir un faisceau sous l'effet de limitation par la charge d'espace, avec son électrode de formation de faisceau; l'existence de la charge d'espace demande que la partie non émissive forme un angle A inférieur à  annexed drawings given by way of nonlimiting examples, of which: FIG. 1 shows schematically and in axial section an example of a cathode according to the prior art, without beam-forming electrode: FIG. 2 a shows schematically and in section axial a typical embodiment of a cathode according to the prior art, with its beam-forming electrode; Figure 2b shows a detail of Figure 2a; Figures 3 a and 3 b show schematically and in axial section two typical embodiments of a cathode according to the invention, with a beam-forming electrode; FIG. 4 schematically shows in axial section another embodiment of a cathode according to the invention, designed specifically to provide a beam under the effect of limitation by the space charge, with its beam-forming electrode; the existence of the space charge requires that the non-emissive part form an angle A less than

900 avec le bord du faisceau.900 with the edge of the beam.

les figures 5 a et 5 b représentent schématiquement en coupe axial et en plan, respectivement, un exemple typique de réalisation d'une cathode pour gyrotron selon l'invention, avec son électrode de formation de faisceau dans un cas de faible  Figures 5a and 5b schematically show in axial section and in plan, respectively, a typical embodiment of a cathode for a gyrotron according to the invention, with its beam-forming electrode in a case of weak

charge d'espace.space charge.

La figure 6 représente schématiquement en coupe axiale un autre exemple de réalisation d'une cathode pour gyrotron selon l'invention, dans lequel l'électrode de formation de faisceau a  FIG. 6 schematically shows in axial section another embodiment of a cathode for a gyrotron according to the invention, in which the beam-forming electrode has

été supprimée.been deleted.

Les figures représentent des exemples non limitatifs de réalisations, sur lesquelles les mêmes repères désignent les mêmes éléments sur les différentes figures D'autres réalisations selon l'invention ou ses principales caractéristiques seront facilement imaginées par l'homme de l'art, par exemple avec des formes différentes des cathodes ou  The figures represent nonlimiting examples of embodiments, in which the same references designate the same elements in the various figures Other embodiments according to the invention or its main characteristics will be easily imagined by those skilled in the art, for example with different shapes of the cathodes or

des électrodes environnantes.surrounding electrodes.

Sur la figure 1, on voit une cathode classique qui consiste en un corps conducteur et poreux 1 imprégné d'une matière émissive d'électrons La cathode est généralement portée à une haute tension négative et chauffée à haute température; elle libère des électrons de la surface, qui sont accélérés par les champs électrostatiques environnants La cathode a une forme particulière suivant l'application; dans le cas de la figure 1 elle a la forme d'une pastille avec une surface concave; elle a aussi un axe de symétrie de révolution qui est indiqué sur la figure Une cathode peut avoir plusieurs formes différentes bien connues de l'homme de l'art: ruban plan ou en gouttière, fils tressés, formes de révolution, calotte sphérique, secteur tronconique de révolution, etc Le champ électrostatique à la surface d'un conducteur est toujours nul dans le sens parallèle à la surface, donc le champ électrique est forcément perpendiculaire à la surface de la cathode, et les électrons commencent leur trajectoire suivant les lignes de champ perpendiculaires à la surface qui sont  In FIG. 1, we see a conventional cathode which consists of a conductive and porous body 1 impregnated with an electron emissive material. The cathode is generally brought to a negative high voltage and heated to high temperature; it releases electrons from the surface, which are accelerated by the surrounding electrostatic fields. The cathode has a particular shape depending on the application; in the case of Figure 1 it has the shape of a pellet with a concave surface; it also has an axis of symmetry of revolution which is indicated in the figure. A cathode can have several different forms well known to those skilled in the art: flat or gutter ribbon, braided wires, forms of revolution, spherical cap, sector. frustoconical of revolution, etc. The electrostatic field on the surface of a conductor is always zero in the direction parallel to the surface, so the electric field is necessarily perpendicular to the surface of the cathode, and the electrons begin their trajectory along the lines of field perpendicular to the surface which are

montrées sur la figure.shown in the figure.

On voit sur la figure que les lignes de champ qui étaient bien régulières vers le centre de la cathode le sont beaucoup moins vers les bords; en effet, les arrondis de faible rayon de courbure ou les pointes donnent lieu à un champ électrique de forte amplitude mais d'orientation quasi omnidirectionnel car toujours perpendiculaire à une surface qui change rapidement d'orientation. Les électrons qui sont émis vers les bords de la cathode sont donc accélérés dans des directions très différentes suivant ces lignes de champs, et sont difficilement utilisables dans un  We see in the figure that the field lines which were very regular towards the center of the cathode are much less towards the edges; indeed, the rounding of small radius of curvature or the points give rise to an electric field of large amplitude but of almost omnidirectional orientation because always perpendicular to a surface which changes orientation quickly. The electrons which are emitted towards the edges of the cathode are therefore accelerated in very different directions along these field lines, and are difficult to use in a

tube électronique de géométrie linéaire.  linear geometry electron tube.

Les figures 2 a et 2 b montrent un perfectionnement bien connu de l'art antérieur, qui consiste à placer, autour de la cathode 1, une électrode de formation de faisceau ou "Wehnelt" 2, portée à la même haute tension que la cathode En général, pour éviter l'émission parasite d'électrons à partir du Wehnelt, ceci est disposé à une petite distance de la cathode pour fournir une isolation thermique On se rappelle que ces éléments sont sous vide en fonctionnement, donc même un petit espace est isolant thermiquement; néanmoins, à une courte distance de la surface émissive de la cathode, le Wehnelt est profilé de façon à l'éloigner d'avantage de la cathode pour minimiser le  Figures 2 a and 2 b show an improvement well known in the prior art, which consists in placing, around the cathode 1, a beam forming electrode or "Wehnelt" 2, brought to the same high voltage as the cathode In general, to avoid the parasitic emission of electrons from the Wehnelt, this is arranged at a small distance from the cathode to provide thermal insulation. Remember that these elements are under vacuum in operation, so even a small space is thermally insulating; nevertheless, at a short distance from the emissive surface of the cathode, the Wehnelt is profiled so as to move it further away from the cathode to minimize the

transfert thermique.Thermal transfer.

La présence du Wehnelt 2 à proximité de la cathode 1 a pour effet de lisser le champ électrique dans la région des bords de la cathode émissive, et on voit sur la figure 2 a que les lignes de champ sont beaucoup plus régulières aux bords de  The presence of the Wehnelt 2 near cathode 1 has the effect of smoothing the electric field in the region of the edges of the emissive cathode, and it can be seen in FIG. 2 a that the field lines are much more regular at the edges of

la cathode 1 que sur la figure précédente.  cathode 1 as in the previous figure.

Néanmoins, il subsiste un problème de la continuité de l'orientation du champ comme montré sur le détail de la figure 2 b En effet, dans l'espace entre la cathode et le Wehnelt, les lignes de champ ne sont pas parallèles, mais sont courbées dans les régions d'arrondis ou de pointes et on retrouve, dans un degré moindre, le même problème que précédemment L'invention  However, there remains a problem of the continuity of the orientation of the field as shown in the detail in FIG. 2 b Indeed, in the space between the cathode and the Wehnelt, the field lines are not parallel, but are curved in the regions of roundings or points and we find, to a lesser degree, the same problem as previously The invention

va remédier à ce problème, tel que montré sur la figure 3.  will remedy this problem, as shown in Figure 3.

Les figures 3 a et 3 b montrent deux exemples de réalisation d'une cathode selon l'invention Autour de la partie émissive de la cathode 1, un anneau 3 de matière réfractaire, conductrice et non émissive est placée en contact direct avec les bords de la cathode L'électrode de formation de faisceau au Wehnelt 2 est disposée autour de cet anneau 3 comme dans l'art antérieur il était disposé autour de la cathode L'anneau 3 peut être réalisé par exemple en carbone, ou d'un carbure réfractaire tel que de carbure de tungstène ou de tantale; ou encore du graphite pyrolytique, ou du graphite pyrolytique recouvert d'un carbure réfractaire formé localement ou déposé par un procédé connu de  FIGS. 3 a and 3 b show two exemplary embodiments of a cathode according to the invention Around the emissive part of the cathode 1, a ring 3 of refractory, conductive and non-emissive material is placed in direct contact with the edges of the cathode The Wehnelt 2 beam-forming electrode is arranged around this ring 3 as in the prior art it was arranged around the cathode The ring 3 can be made, for example, of carbon, or of a refractory carbide such as tungsten carbide or tantalum; or pyrolytic graphite, or pyrolytic graphite covered with a refractory carbide formed locally or deposited by a known process of

l'homme de l'art.one skilled in the art.

Les figures 3 a et 3 b différent seulement par la géométrie de cet anneau réfractaire non émissive: dans la figure 3 a l'anneau est disposé autour du corps émissif de forme cylindrique; et dans la figure 3 b l'anneau non émissif est du même diamètre externe que le corps de la cathode, rapporte en saillie sur la face émissive de celui-ci Cette dernière disposition peut être réalisée de plusieurs façons, soit en plaçant une pièce annulaire dans une saillie dessinée à cet effet; soit en créant localement un carbure de cette géométrie sur la surface de la cathode en tungstène poreux L'homme de l'art imaginera facilement d'autres modes de réalisation capables  Figures 3 a and 3 b differ only in the geometry of this non-emissive refractory ring: in Figure 3 a the ring is arranged around the emissive body of cylindrical shape; and in FIG. 3 b, the non-emissive ring is of the same external diameter as the body of the cathode, mounted projecting on the emissive face thereof. This latter arrangement can be carried out in several ways, either by placing an annular part. in a projection designed for this purpose; either by locally creating a carbide of this geometry on the surface of the porous tungsten cathode Those skilled in the art will easily imagine other embodiments capable

d'obtenir les avantages de l'invention suivant la description  obtain the advantages of the invention according to the description

faite ici.made here.

On constate sur ces deux figures 3 a et 3 b que les lignes de champ ne sont absolument pas perturbées dans le voisinage des bords de la partie émissive de la cathode; et ceci est  It can be seen in these two figures 3 a and 3 b that the field lines are absolutely not disturbed in the vicinity of the edges of the emissive part of the cathode; and this is

exactement l'effet recherché par l'invention.  exactly the effect sought by the invention.

La figure 4 montre un autre exemple d'une réalisation particulière selon l'invention; il s'agit d'une cathode destinée à fonctionner en régime de courant limité par la charge d'espace En effet, dans le cas de cathode fonctionnant avec des fortes pervéances ou des forts courants d'émission, la présence d'une grande quantité d'électrons dans l'espace autour dé la surface émissive de la cathode, la charge d'espace, modifie les  Figure 4 shows another example of a particular embodiment according to the invention; it is a cathode intended to operate under a current regime limited by the space charge. In fact, in the case of a cathode operating with high pervéances or high emission currents, the presence of a large quantity of electrons in the space around the emissive surface of the cathode, the space charge changes the

champs électrostatiques présents en l'absence d'électrons.  electrostatic fields present in the absence of electrons.

Quand la quantité d'électrons est assez grande, il arrive un point ou les champs électriques d'extraction d'électrons à la surface de la cathode sont annulés par le champ de la charge de l'espace, et le courant est limité par cet effet de charge d'espace Le nombre d'électrons nécessaire pour atteindre cet équilibre peut être calculé, ainsi que les champs correspondants Les trajectoires d'électrons sont bien entendu modifiées dans le cas d'une charge d'espace, mais l'on peut aussi calculer cet effet La répulsion électrostatique entre les électrons du faisceau est calculée et ensuite corrigée par l'optique électrostatique, c'est-à-dire que l'on positionne les électrodes différemment pour fonctionner dans ce "régime de charge d'espace", de façon à annuler la divergence de faisceau  When the quantity of electrons is large enough, there comes a point where the electric fields of electron extraction on the surface of the cathode are canceled by the field of the charge of space, and the current is limited by this space charge effect The number of electrons required to reach this equilibrium can be calculated, as well as the corresponding fields The electron trajectories are of course modified in the case of a space charge, but we can also calculate this effect The electrostatic repulsion between the beam electrons is calculated and then corrected by the electrostatic optics, that is to say that the electrodes are positioned differently to operate in this "space charge regime" , so as to cancel the beam divergence

résultant.resulting.

Sur la figure 4 donc, on voit que la géométrie de la partie non émissive 3 a été légèrement modifiée, car la surface équipotentielle de l'anneau non émissive est portée à une angle A par rapport à la normale à la surface émissive de la cathode 1 D'après la théorie, la valeur optimale de cet angle A est de 67,50 L'électrode de formation de faisceau 2 est comme dans les cas précédents, séparée par un petit espace des parties  In FIG. 4 therefore, it can be seen that the geometry of the non-emissive part 3 has been slightly modified, since the equipotential surface of the non-emissive ring is brought to an angle A relative to the normal to the emissive surface of the cathode 1 According to theory, the optimal value of this angle A is 67.50 The beam-forming electrode 2 is, as in the previous cases, separated by a small space from the parts

chauffées pour assurer une isolation thermique.  heated to provide thermal insulation.

Sur les figures Sa et 5 b, on voit un exemple de réalisation d'une cathode selon l'invention pour application dans un tube électronique de type gyrotron Dans un gyrotron, on cherche à fabriquer un faisceau électronique creux, avec une très grande vitesse transversale et ayant une énergie bien précise C'est pourquoi on cherche à éviter toute anomalie de trajectoire ou d'énergie d'électrons provenant des bords de la région émissive  In Figures Sa and 5b, an exemplary embodiment of a cathode according to the invention can be seen for application in an electronic tube of the gyrotron type. In a gyrotron, an attempt is made to manufacture a hollow electron beam, with a very high transverse speed. and having a very precise energy This is why one seeks to avoid any anomaly of trajectory or energy of electrons coming from the edges of the emissive region

de la cathode.of the cathode.

Sur la figure 5 a, l'on voit que la cathode d'un gyrotron a une forme de révolution convexe ayant la forme d'une calotte  In FIG. 5 a, it can be seen that the cathode of a gyrotron has a shape of convex revolution having the shape of a cap

sphérique rallongée par un secteur tronconique de révolution.  spherical lengthened by a frustoconical sector of revolution.

Puisque l'on recherche un faisceau creux, quand vue d'un point sur l'axe de révolution, la partie émissive 1 de la cathode à la forme d'un ruban émissif ayant la forme d'un anneau tel que montré sur la figure 5 b Ce ruban émissif de largeur constante et de bords circulaires et parallèles est une partie de la surface définie entre deux plans perpendiculaires à l'axe de révolution, ces deux plans coupant la surface aux bords circulaires définissant ainsi ledit ruban émissif, avec deux parties non émissives 3 respectivement à l'intérieur et à l'extérieur de, et en contact électrique et thermique avec ce ruban L'électrode de formation de faisceau Wehnelt 2 a les mêmes fonctions que sur les figures précédentes, et elle est  Since we are looking for a hollow beam, when viewed from a point on the axis of revolution, the emissive part 1 of the cathode in the form of an emissive tape having the shape of a ring as shown in the figure 5 b This emissive tape of constant width and of circular and parallel edges is a part of the surface defined between two planes perpendicular to the axis of revolution, these two planes cutting the surface at the circular edges thus defining said emissive tape, with two parts non-emissive 3 respectively inside and outside of, and in electrical and thermal contact with this tape The beam forming electrode Wehnelt 2 has the same functions as in the previous figures, and it is

tenue espacée de la partie chauffée pour l'isolation thermique.  spaced holding of the heated part for thermal insulation.

Comme dans les autres exemples de réalisation d'une cathode selon l'invention, les parties émissives et non émissives de la cathode sont réalisées soit en pièces séparées assemblées par la suite; soit par traitement d'un corps en tungstène, dont une partie est carburée localement, et l'autre partie est imprégnée, les deux opérations réalisées selon les  As in the other exemplary embodiments of a cathode according to the invention, the emissive and non-emissive parts of the cathode are produced either in separate pieces assembled subsequently; either by treatment of a tungsten body, part of which is carburetted locally, and the other part is impregnated, the two operations carried out according to the

méthodes connues de l'homme de l'art.  methods known to those skilled in the art.

La figure 6 montre un autre exemple de réalisation d'une cathode selon l'invention pour application dans un tube électronique de type gyrotron, avec suppression de l'électrode de formation de faisceau Similaire à la cathode montrée sur la figure 5, cette cathode est conçue pour minimiser la masse qui doit être portée à haute température, pour minimiser d'autant la puissance électrique de chauffage requise La cathode est d'une forme de révolution comme dans la figure 5, mais creuse Comme dans l'exemple de la figure 5, les parties non émissives 3 sont disposées de part et d'autre de la partie émissive 1, qui comporte un creux 5 pour l'emplacement d'un filament de chauffage. De chaque côté de la partie émissive 1, les parties non émissives 3 réfractaires et conductrices d'électricité sont reliées par des parties minces 4, également réfractaires et conductrices d'électricité Ces parties minces réduisent la conduction thermique de la partie émissive 1 chauffée vers les parties non émissives 3 non chauffées, réduisant ainsi la puissance de chauffage requise pour entretenir la température de  FIG. 6 shows another embodiment of a cathode according to the invention for application in an electronic tube of gyrotron type, with elimination of the beam forming electrode Similar to the cathode shown in FIG. 5, this cathode is designed to minimize the mass which must be brought to high temperature, to minimize all the electric heating power required The cathode is of a form of revolution as in figure 5, but hollow As in the example of figure 5 , the non-emissive parts 3 are arranged on either side of the emissive part 1, which has a recess 5 for the location of a heating filament. On each side of the emissive part 1, the non-emissive parts 3 refractory and electrically conductive are connected by thin parts 4, also refractory and electrically conductive These thin parts reduce the thermal conduction of the emissive part 1 heated towards the non-emissive parts 3 not heated, thereby reducing the heating power required to maintain the temperature

fonctionnement de la partie émissive 1.  operation of the emissive part 1.

Cette construction pourrait être réalisée de façon avantageuse par assemblage par brasure, par exemple, des éléments 4 en tôle mince non émissive entre les pièces plus  This construction could be carried out advantageously by assembly by brazing, for example, elements 4 of thin non-emissive sheet between the parts more

massives des parties 3 non émissives et la partie émissive 1.  non-emissive parts 3 and the emissive part 1.

D'autres méthodes de réalisation seront facilement  Other methods of realization will be easily

imaginées par l'homme de l'art.imagined by those skilled in the art.

Dans tous les exemples de réalisation de cathodes présentés sur les figures, la présence d'une partie non émissive et conductrice adjacente aux bords de la partie émissive permet d'obtenir des trajectoires d'électrons provenant de la partie émissive qui ne sont pas du tout perturbées par les bords de cette dernière L'avantage ainsi procuré est particulièrement apprécié dans les tubes de très forte puissance, de très haut rendement, de très haute fréquence, ou toute combinaison de hautes performances requises La régularité et prévisibilité des trajectoires permettent le calcul aisé, et donc la conception assistée par ordinateur peut être utilisée avec des bons résultats Ceci est particulièrement important pour obtenir des performances qui se situent à la limite, ou au-delà de l'état de l'art. il  In all the exemplary embodiments of cathodes presented in the figures, the presence of a non-emissive and conductive part adjacent to the edges of the emissive part makes it possible to obtain trajectories of electrons coming from the emissive part which are not at all disturbed by the edges of the latter The advantage thus obtained is particularly appreciated in tubes of very high power, very high efficiency, very high frequency, or any combination of high performance required The regularity and predictability of the trajectories allow easy calculation , and therefore computer-aided design can be used with good results. This is particularly important for obtaining performances which are at the limit, or beyond the state of the art. he

Claims (12)

REVENDICATIONS 1 Cathode pour tube électronique, cette cathode destinée à fournir un faisceau d'électrons suivant une direction z, ladite cathode ayant une forme et une surface, ladite surface ayant au moins une partie émissive d'électrons, cette partie ayant des bords et étant situé à l'intérieur de ces bords, caractérisée en ce que: à l'extérieur et au voisinage immédiat desdits bords, la surface de la cathode comprend une partie non  1 cathode for an electron tube, this cathode intended to supply an electron beam in a z direction, said cathode having a shape and a surface, said surface having at least one emissive part of electrons, this part having edges and being located inside these edges, characterized in that: outside and in the immediate vicinity of said edges, the surface of the cathode comprises a non- émissive d'électrons et conductrice d'électricité.  emissive of electrons and conductive of electricity. 2 Cathode selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite partie non émissive d'électrons et conductrice d'électricité est mince au voisinage immédiat desdits bords de la partie émissive, de façon à réduire la conduction thermique à  2 cathode according to claim 1, characterized in that said non-emissive part of electrons and electrically conductive is thin in the immediate vicinity of said edges of the emissive part, so as to reduce the thermal conduction to travers cette partie non émissive amincie.  through this thinned non-emissive part. 3 Cathode selon l'une des revendications l à 2  3 cathode according to one of claims l to 2 caractérisée en ce que ladite partie non émissive d'électrons  characterized in that said non-emissive part of electrons est d'un matériau réfractaire et conducteur d'électricité.  is of a refractory and electrically conductive material. 4 Cathode selon la revendication 3, caractérisée en ce  4 Cathode according to claim 3, characterized in that que ladite partie non émissive d'électrons est du carbone.  that said non-emissive part of electrons is carbon. Cathode selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite partie non émissive d'électrons est du graphite  Cathode according to claim 4, characterized in that said non-emissive electron part is graphite pyrolytique.pyrolytic. 6 Cathode selon la revendication 3, caractérisée en ce que ladite partie non émissive d'électrons est d'un carbure réfractaire. 7 Cathode selon la revendication 5, caractérisée en ce que ladite partie non émissive est du graphite pyrolytique  6 Cathode according to claim 3, characterized in that said non-emissive part of electrons is of a refractory carbide. 7 Cathode according to claim 5, characterized in that said non-emissive part is pyrolytic graphite recouvert d'un carbure réfractaire.  covered with a refractory carbide. 8 Cathode selon l'une quelconque des revendications 6 à  8 Cathode according to any one of claims 6 to 7, caractérisée en ce que ledit carbure réfractaire est du carbure de tungstène.  7, characterized in that said refractory carbide is tungsten carbide. 9 Cathode selon l'une quelconque des revendications 6 à  9 Cathode according to any one of claims 6 to 7, caractérisée en ce que ledit carbure réfractaire est du  7, characterized in that said refractory carbide is of carbure de tantale.tantalum carbide. Cathode selon l'une quelconque des revendications 1 à  Cathode according to any one of Claims 1 to 9, caractérisée en ce que ladite forme de ladite cathode est une forme de révolution autour d'un axe parallèle à ladite direction z. 11 Cathode selon la revendication 10, caractérisée en ce que ladite forme de révolution est concave vers la direction z. 12 Cathode selon la revendication 10, caractérisée en ce que ladite forme de révolution est convexe vers la direction z. 13 Cathode selon la revendication 11, caractérisée en ce que ladite partie non émissive de la surface est orientée à un angle A par rapport à la normale à la partie émissive au bord de  9, characterized in that said shape of said cathode is a shape of revolution about an axis parallel to said direction z. 11 Cathode according to claim 10, characterized in that said form of revolution is concave towards the z direction. 12 Cathode according to claim 10, characterized in that said form of revolution is convex towards the direction z. 13 Cathode according to claim 11, characterized in that said non-emissive part of the surface is oriented at an angle A relative to the normal to the emissive part at the edge of cette dernière.the latter. 14 Cathode selon la revendication 13, caractérisée en ce  14 Cathode according to claim 13, characterized in that que ledit angle A est d'une valeur voisine de 67,5 degrés.  that said angle A is of a value close to 67.5 degrees. 15 Cathode selon la revendication 12, caractérisée en ce que ladite forme de révolution convexe a la forme d'un calotte  15 Cathode according to claim 12, characterized in that said shape of convex revolution has the shape of a cap sphérique rallongée par un secteur tronconique de révolution.  spherical lengthened by a frustoconical sector of revolution. 16 Cathode selon la revendication 15, caractérisée en ce que ladite partie émissive a la forme d'un ruban émissif de largeur constante et de bords circulaires et parallèles, ce ruban étant une partie de la surface définie entre deux plans perpendiculaires à l'axe de révolution, ces deux plans coupant la surface aux bords circulaires définissant ainsi ledit ruban émissif. 17 Cathode selon la revendication 16, caractérisée en ce que ladite partie non émissive de la surface comprend deux  16 Cathode according to claim 15, characterized in that said emissive part has the form of an emissive tape of constant width and of circular and parallel edges, this tape being a part of the surface defined between two planes perpendicular to the axis of revolution, these two planes cutting the surface at the circular edges thus defining said emissive tape. 17 Cathode according to claim 16, characterized in that said non-emissive part of the surface comprises two parties, de part et d'autre dudit ruban émissif.  parts, on either side of said emissive tape. 18 Cathode selon la revendication 17, caractérisée en ce que lesdites parties non émissives sont amincies au voisinage immédiat desdits bords dudit ruban émissif, de façon à réduire la conduction thermique à travers ces parties non émissives  18 Cathode according to claim 17, characterized in that said non-emissive parts are thinned in the immediate vicinity of said edges of said emissive tape, so as to reduce thermal conduction through these non-emissive parts amincies.thinned. 19 Canon à électrons pour tube électronique hyperfréquence comprenant une cathode selon l'une quelconque  19 Electron gun for microwave electronic tube comprising a cathode according to any one des revendications 1 à 18.of claims 1 to 18. Tube électronique hyperfréquence comprenant un  Microwave electronic tube comprising a canon à électrons selon la revendication 19.  electron gun according to claim 19.