La présente invention porte sur une grille circulaire pour une cathode cylindrique de tube hyperfréquence à faisceau linéaire, et un procédé de fabrication associé.

Il est connu des tubes hyperfréquences à faisceau linéaire (TOP, klystron) qui doivent délivrer un signal de sortie en impulsions. Cette modulation peut être réalisé simplement en découpant le signal RF d’entrée en gardant un courant de faisceau continu, mais cela conduit à une consommation de puissance excessive. Il est donc préférable de découper en impulsions la puissance du faisceau d’électrons. Une première possibilité consiste à utiliser un canon diode et à commuter la tension appliquée à la cathode, par exemple à l’aide d’un modulateur à ligne à retard classique. Cette solution présente des limitations tant pour réaliser des impulsions courtes avec des durées de front de montée et de descente très faibles, que pour fonctionner avec des fréquences de répétition des impulsions élevées. Par ailleurs la puissance dissipée dans la commutation varie comme le carré de la tension commutée.

Pour dépasser ces limitations, on introduit une électrode supplémentaire (la grille) devant la cathode, transformant ainsi le canon diode en canon triode. La tension appliquée à la grille est faible (1 à 3% de la tension appliquée à la cathode), ce qui permet d’avoir des durées de front de montée et de descente très faibles.

Pour bloquer le faisceau on applique à la grille une tension négative par rapport à la cathode : la tension de blocage de grille Vgb. Pour débloquer le faisceau, on applique une tension de commande de grille Vgc. Cette tension Vgc est quelquefois nulle, mais le plus souvent positive par rapport à la cathode. Dans ce cas, la grille intercepte une partie des électrons émis par la cathode, et le produit de la tension de commande de grille par le courant intercepté par la grille Ig représente la puissance dissipée sur la grille qui conduit à une élévation de la température de la grille avec pour conséquence une déformation de la grille, une émission thermoïonique et, dans le cas extrême, une fusion de la grille.

Afin de limiter cet échauffement de la grille, il faut limiter le courant cathode intercepté par la grille. Pour cela, on introduit entre la cathode et la grille de commande une électrode supplémentaire (grille masque) transformant le canon triode en canon tétrode. La forme de la grille masque est choisie de sorte que, vue de la cathode, la grille de commande soit située dans l’ombre de la grille masque. Cette grille masque est portée au potentiel de la cathode, donc la puissance électrique appliquée à la grille masque est nulle. En revanche, cette grille masque perturbe fortement les trajectoires électroniques ce qui conduit à une augmentation du courant intercepté par le corps du tube (ligne du Tube à Ondes Progressives ou TOP, ou cavités du klystron) et à une limitation de la puissance moyenne délivrée par le tube. Pour les tubes à faisceau linéaire (TOP, klystron) on utilise en général un canon de Pierce pour générer le faisceau. Ce canon comporte une cathode dont la partie émissive est une portion de calotte sphérique. La distance entre la grille de commande et la cathode est constante, ce qui impose à la grille de commande une forme de calotte sphérique. C’est également le cas de la grille masque placée entre la cathode et la grille de commande. Les figures du document représentent la projection de la grille sur un plan perpendiculaire à l’axe de la grille.

L’un des moyens de diminuer le désordre apporté par la grille masque consiste à plaquer celle-ci sur la cathode.

Deux solutions techniques sont possibles pour ce faire: fixer sur la cathode une grille usinée dans un embouti mince (typiquement entre 50 et 150 pm) ou réaliser une grille sur la cathode en déposant sur la surface de la cathode un matériau obtenu en bombardant une cible dudit matériau avec des ions.

Ces deux solutions nécessitent de choisir un matériau de grille ou de revêtement de grille qui ne présente pas d’émission électronique à la température de la cathode. Ces matériaux sont le carbone, le carbure de tungstène, le titane, le zirconium, le hafnium et des composés de ces matériaux. La première solution (grille fixée sur la cathode) présente notamment les inconvénients suivants :

- le coefficient de dilatation du matériau de la grille est différent de celui du matériau de la cathode (le tungstène poreux) ;

- lorsqu'on chauffe la cathode la différence de dilatation provoque des déformations de la grille qui vient perturber l’émission électronique

(variation du courant émis et déformation des trajectoires électroniques) ; et

- lorsqu'on effectue des marche-arrêt répétitifs sur la cathode il se produit des déformations irréversibles, donc une perte irréversible du courant émis.

La deuxième solution consiste à déposer sur la cathode en tungstène des barreaux de faible épaisseur (moins de 10 pm). Le dépôt comporte une ou plusieurs couches des matériaux cités précédemment, les couches intermédiaires étant destinées à empêcher l’inter-diffusion des matériaux et en particulier la diffusion du matériau anti émissif dans le pavé émissif en tungstène imprégné. Cette solution a l’avantage de permettre la réalisation de grilles très minces qui restent en contact avec la cathode au lieu de se soulever comme les grilles plaquées, et qui perturbent peu les trajectoires électroniques.

Après avoir choisi dans la liste citée précédemment le matériau ou les matériaux pour la deuxième solution, il faut ensuite choisir le motif de grille, c’est-à-dire la définition de la géométrie. Le motif de grille est défini par des barreaux, droits ou curvilignes, qui délimitent des trous appelés mailles, qui correspondent aux zones émissives de la cathode. Le motif de grille utilisé pour les grilles de commande interceptrices comporte des mailles ou cellules de forme carrée ou hexagonale (nid d’abeille). La taille des mailles carrées est définie comme le côté du carré. La taille des mailles hexagonales est définie comme la distance entre deux cotés parallèles de l’hexagone La taille des mailles carrées ou hexagonales est déterminée pour bloquer efficacement le faisceau lorsque l’on applique la tension négative de grille. Plus la taille de la maille est petite, plus la tension de blocage de grille est faible. Lorsque la maille n’est pas carrée ou hexagonale, on utilise des mailles en forme de fente allongée telles que la largeur de la fente soit identique au côté d’une maille carrée ou à l’ouverture d’une maille hexagonale ( voir fig. 3 et 4). La taille de la maille est alors la plus grande largeur de la fente.

La symétrie cylindrique de la cathode et du faisceau conduit naturellement à rechercher la même symétrie pour la grille, ce qui est réalisé avec une grille composée d’anneaux concentriques. Mais une telle grille ne peut pas comporter uniquement des anneaux, il faut aussi des barreaux pour tenir les anneaux. La grille comporte donc des anneaux et des barreaux. La présence des barreaux supprime l’invariance du motif de grille par une rotation d’angle quelconque, mais la grille possède des plans de symétrie passant par les barreaux radiaux et devient invariante par une rotation d’angle 2tt/h, n étant déterminé par le nombre de barreaux. La figure 1 présente une grille comportant deux anneaux 1 , 2, et des barreaux 3, qui est invariante par une rotation de TT/2. L’anneau 4 le plus extérieur est le boulevard circulaire externe de grille qui délimite le diamètre extérieur de la partie émissive de la cathode. Le boulevard circulaire externe 4 n’est pas compté dans les anneaux 1 , 2 qui partitionnent la surface émissive de la cathode.

Comme illustré sur la figure 2, une grille peut ne comporter que des barreaux 3 sans anneaux, avec uniquement un boulevard circulaire externe 4. Cette grille est invariante par des rotations d'angles multiples de TT/3 parce que toutes les mailles sont identiques ( et donc les barreaux sont équirépartis, c’est-à-dire que l’angle entre deux barreaux consécutifs est constant).

Cet exemple convient pour une petite cathode à cause du faible nombre de mailles de la grille, en l'espèce 6 mailles. Comme illustré sur la figure 3, si le diamètre de la cathode croît, il faut augmenter le nombre de barreaux 3 pour garder des mailles de taille comparable afin de ne pas détériorer le blocage du faisceau. Pour éviter d’avoir au centre de la grille un nombre de barreaux trop élevé on divise la grille en couronnes comportant des barreaux 3a radiaux entre deux anneaux, le nombre de barreaux étant plus important sur une couronne extérieure que sur une couronne intérieure. Cet exemple présente une grille comportant un disque central avec 8 barreaux se rejoignant au centre de la grille, une couronne intermédiaire avec 32 barreaux et une couronne extérieure avec 64 barreaux, soit un total de 104 mailles. Le motif de grille est invariant par des rotations d'angles multiples de TT/4. La taille de la maille de grille dans le cas de la figure 3 correspond à la distance entre 2 barreaux radiaux bordant la maille, sur la couronne extérieure ou la couronne médiane.

La technologie classique de réalisation des grilles représentées sur les figures 1 à 3 est l’électroérosion par enfonçage, ce qui implique que le nombre de barreaux de la couronne directement autour de la couronne interne est un multiple du nombre de barreaux de la couronne interne.

Sans cette contrainte d’usinage de l’électrode il serait possible d'imaginer des nombres de barreaux entre deux couronnes contigües premiers entre eux. Or la technologie de réalisation permet maintenant de réaliser des grilles par d’autres moyens (découpe laser, photogravure et découpe chimique, etc.), donc sans usinage d’une électrode. La forme de la grille devient beaucoup plus libre, car on ne garde que la contrainte de blocage du faisceau, bien qu' il soit quand même souhaitable de garder une certaine symétrie cylindrique.

En revanche, la réalisation d'une grille par dépôt impose une nouvelle contrainte technologique. La solution disponible consiste à réaliser un masque, c’est-à-dire le complément optique de la grille. Il faut donc appliquer sur la cathode une surface sphérique mince dans laquelle on a usiné des fentes correspondant aux barreaux. Pour le motif de grille de la figure 3, on sait maintenir les parties du masque situées sur la couronne extérieure, mais pas celles situées au centre sans détériorer la qualité du dépôt. La même remarque vaut pour le motif de la figure 4: on ne sait pas maintenir le disque central et la partie de masque située entre les anneaux. Une grille selon la figure 2 n’est pas acceptable à cause de la faible émission qui en résulte au centre de la cathode.

Un but de l'invention est de pallier les problèmes précédemment cités, et notamment d'empêcher l’émission d’électrons par la cathode lorsque l’on applique à la grille la tension de blocage, ce qui se traduit par une distance maximale entre deux barreaux et détermine le nombre de barreaux se raccordant au boulevard circulaire externe de la grille, ainsi que de limiter à 2 ou 3 le nombre de barreaux se raccordant au centre, ainsi que d’éviter un manque de charge d’espace au centre du faisceau lorsque l’on applique la tension de commande de grille, ce qui limite à 2 ou 3 le nombre de barreaux se raccordant au centre.

Il est proposé, selon un aspect de l'invention, une grille circulaire pour une cathode cylindrique de tube hyperfréquence à faisceau linéaire, comprenant un nombre égal de mailles et de barreaux, et comprenant:

- un boulevard circulaire externe ;

- deux ou trois barreaux (dits barreaux d’ordre 1 ) reliés ensemble, en une de leur extrémité, au centre de la grille, et en leur autre extrémité au boulevard circulaire externe; un barreau comprenant au moins une portion rectiligne ; et

- au moins deux barreaux reliés au boulevard circulaire externe en une extrémité et reliés en leur autre extrémité à un autre barreau entre le boulevard circulaire et le centre de la grille (dits barreaux d’ordre 2 entre un barreau d’ordre 1 (pas au centre de la grille) et le boulevard extérieur, et d’ordre N+1 entre un barreau d’ordre N et le boulevard extérieur).

Une telle grille comporte des mailles qui partent du boulevard extérieur et dont certaines parviennent au centre, ce qui permet d’avoir un motif de grille ne comportant que des barreaux et pas d’anneaux comme sur les figures 1 , 3 et 4. Lorsque la grille comprend un nombre pair de mailles elle comporte deux barreaux reliés au centre de la grille et lorsque la grille comprend un nombre impair de mailles elle comporte trois barreaux reliés au centre de la grille. Lorsque le nombre de mailles est pair mais multiple de 3 (par exemple n=6 ou n=12) on peut choisir de placer trois barreaux au centre afin de conserver l’invariance par une rotation de 120°, comme le montre la figure n°6.

Dans un mode de réalisation, les portions rectilignes des barreaux reliés au boulevard circulaire externe sont disposés sur des rayons équirépartis de la grille circulaire.

Il est ainsi possible d’avoir une tension de blocage identique pour toutes les mailles qui se raccordent au boulevard extérieur.

Selon un mode de réalisation, lorsque la grille comprend deux barreaux reliés au centre de la grille, les portions rectilignes desdits deux barreaux, reliées au centre de la grille, sont équiréparties et font alors entre- elles un angle de 180°.

Dans un mode de réalisation, lorsque la grille comprend trois barreaux reliés au centre de la grille, les portions rectilignes desdits trois barreaux, reliées au centre de la grille, sont équiréparties et font alors entre- elles un angle de 120°.

L’utilisation de barreaux équirépartis au centre de la grille permet d’utiliser le nombre minimal de barreaux afin de ne pas avoir un manque de charge d’espace au centre du faisceau lorsque l’on applique la tension de commande de grille.

Selon un autre aspect de l'invention, il est également proposé un procédé de dépose d'une grille selon l'une des revendications précédentes sur une cathode par pulvérisation d'un matériau non émissif sur un masque plaqué sur la cathode. L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels :

- les figures 1 à 4 illustrent schématiquement des grilles circulaires pour une cathode cylindrique, selon l'état de la technique ;

- les figures 5 à 11 illustrent schématiquement des grilles circulaires pour une cathode cylindrique, selon un aspect de l'invention.

Sur l'ensemble des figures, les éléments ayant des références identiques sont similaires.

Dans la présente description, les modes de réalisation décrits sont nullement limitatifs, et les caractéristiques et fonctions bien connues de l'homme du métier ne sont pas décrites en détails.

Sur l'ensemble des figures suivantes, qui illustrent des modes de réalisation de l'invention, est représentée une grille circulaire pour une cathode cylindrique de tube hyperfréquence à faisceau linéaire, comprenant un nombre égal de mailles et de barreaux, et comprenant :

- un boulevard circulaire externe 4 ;

- deux ou trois barreaux 3 (dits d'ordre 1 ) reliés ensemble, en une de leur extrémité, au centre de la grille, et en leur autre extrémité au boulevard circulaire externe 4 ; un barreau 3 comprenant au moins une portion rectiligne ; et

- au moins deux barreaux 3 (dits d’ordre 2 entre un barreau d’ordre 1 et le boulevard extérieur, et d’ordre N+1 entre un barreau d’ordre N et le boulevard extérieur) reliés au boulevard circulaire externe 4 en une extrémité et reliés en leur autre extrémité à un autre barreau 3 entre le boulevard circulaire et le centre de la grille.

Sur les exemples pour lesquels la grille circulaire comprend deux barreaux 3 reliés au centre de la grille, les portions rectilignes de ces deux barreaux, reliées au centre de la grille sont équiréparties, i.e. espacées de 180°, et la grille possède deux axes de symétrie perpendiculaires passant par le centre de la grille. Sur les exemples pour lesquels la grille circulaire comprend trois barreaux 3 reliés au centre de la grille, les portions rectilignes de ces trois barreaux, reliées au centre de la grille sont équiréparties, i.e. espacées de 120°, et la grille possède un seul axe de symétrie passant par le centre de la grille. Lorsque le nombre de mailles est multiple de 3 le motif de grille est en outre invariant par une rotation d’angle 120° autour de l’axe de symétrie.

Sur les exemples représentés, les portions rectilignes des barreaux reliés au boulevard circulaire externe 4 sont disposés sur des rayons équirépartis de la grille circulaire, ce qui présentent l’avantage d’avoir des mailles de taille constante ayant la même tension de blocage du faisceau.

Un barreau 3 est défini comme une succession d'une ou plusieurs portions rectilignes, relié en une extrémité au boulevard extérieur 4, et en son autre extrémité au centre de la grille (barreau d’ordre 1 ) ou à un autre barreau 3 (barreau d’ordre supérieur ou égal à 2) entre le boulevard circulaire et le centre de la grille.

Ainsi, une grille comprenant un nombre N de mailles ou cellules, comprend N barreaux 3.

Les figures 5 à 11 illustrent schématiquement des grilles circulaires pour une cathode cylindrique, selon un aspect de l'invention.

La figure 5 représente une grille selon un aspect de l'invention, comprenant 5 mailles et 5 barreaux 3.

La figure 6 représente une grille selon un aspect de l'invention, comprenant 6 mailles et 6 barreaux 3.

La figure 7 représente une grille selon un aspect de l'invention, comprenant 7 mailles et 7 barreaux 3. La figure 8 représente une grille selon un aspect de l'invention, comprenant 8 mailles et 8 barreaux 3.

La figure 9 représente une grille selon un aspect de l'invention, comprenant 9 mailles et 9 barreaux 3.

La figure 10 représente une grille selon un aspect de l'invention, comprenant 10 mailles et 10 barreaux 3. La figure 11 représente une grille selon un aspect de l'invention, comprenant 11 mailles et 11 barreaux 3.

Les grilles selon l'invention peuvent être réalisées sur une cathode par pulvérisation d'un matériau non émissif sur un masque plaqué sur la cathode.

Un tel matériau non émissif, peut être le carbone, le carbure de tungstène, le titane, le zirconium, le hafnium et des composés de ces matériaux.