Brevet FR2108144A1 — publié le 19720519

La présente invention a pour objet un procédé de fabrication de cavités résonnant en hyperfréquence utilisables notamment, bien que non exclusivement, pour des expériences de résonance paramagnétique électronique, ainsi que les cavités résonnantes conformes à celles obtenues par mise en oeuvre du procédé. L'invention concerne plus particulièrement la fabrication de cavités résonnant en hyperfréquence permettant de soumettre un échantillon qu'elle contient à un champ magnétique modulé à haute fréquence. On utilise couramment pour diverses expériences de résonance paramagnétique électronique ou de double résonance électronique et nucléaire des cavités résonnantes à haut coefficient de surtension. On utilise notamment des cavités de forme cylindrique fonctionnant en mode TEOin (et surtout en mode TEO11) dans une des bandes X, K et Q.Lorsqu'il est nécessaire de soumettre le contenu de la cavité à un champ magnétique modulé à haute fréquence ( de l'ordre de 100 kHz en général ) ce qui est évidemment le cas en résonance paramagnétique électronique, la paroi de la cavité doit être suffisamment transparente pour le champ modulé à cette fréquence. Par ailleurs, on sait que les cavités cylindriques, si elles ont l'avantage de présenter un coefficient de surtension Q plus élevé que ceux des cavités parallélépipédiques présentent aussi un inconvénient: la résonance suivant le mode recherché s'accompagne de résonances parasites, qui tendent à abaisser le facteur Q.On a déjà proposé d'étouffer sélectivement ces résonances parasites en profitant de ce que les courants dans les parois qui accompagnent les résonances suivant les modes TE 01n sont uniquement circonférentiels ou inconférentiels alors que tous les autres modes s'accompagnent de courants longitudinaux: pour cela on a constitué la paroi cylindrique des cavités par un bobinage de'spires successives séparées par de l'isolant. Cette construction présente l'avantage supplémentaire d'atténuer les courants de Foucault dans la paroi. La présente invention vise à fournir une cavité résonnante à parois bobinées et un procédé de fabrication de celle-ci répondant mieux que les solutions antérieures aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'elle fournit une cavité de réalisation relativement simple, de rigidité mécanique élevée, présentant un faible rayonnement hyperfréquence, utilisable aux températures cryogéniques. Dans ce but, l'invention propose notamment un procédé de fabrication de cavité résonnante suivant lequel on filète un noyau de métal bon conducteur de l'électricité, on enrobe le noyau d'une couche isolante annulaire, on dépose sur la couche isolante un écran cylindrique conducteur d'épaisseur supérieure à ltepaisseur de peau à la fréquence de résonance et éventuellement très inférieure à l'epaisseur de peau à la fréquence de modulation, et on alèse la cavité pour ne laisser subsister que les parties périphériques des filets de métal conducteur séparées par de l'isolant. L'invention propose également une cavité résonnante suivant un mode Te on comprenant une couche isolante annulaire entourée d'un écran cylindrique conducteur d'épalsseur supérieure à l'épaisseur de peau à la fréquence de résonance et enrobant un filetage en matériau conducteur dont les-fil?ts successifs sont sparés par l'isolant, la paroi interne cylindrique de la cavité délimitée en partie par l'isolant et en partie par le matériau conducteur recouvert diune couche mince de mf-tal bon conducteur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un procédé de construction de cavité résonnante et de la cavité obtenue, donnés à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels: - la Figure 1 montre la cavité terminée, représentée schématiquement en coupe suivant un plan passant par son axe; - la Figure 2 montre schématiquement-le noyau de départ servant à la fabrication de la cavité, egalement représenté en coupe suivant un plan passant par son axe; - les Figures 3, 4 et 5 montrent schématiquement diverses étapes de la fabrication de la cavité; - la Figure 6 est une vue de détail à grande échelle de la partie contenue dans un cercle en traits mixtes sur la figure 5, certaines épaisseurs étant très exagérées pour plus de clarté. La cavité résonnante 10 représentée en figure 1 peut être regardée comme constituée d'une paroi latérale cylindrique et de deux fonds 14 et 16 fixés à la paroi latérale par des organes amovibles tels que des vis 18. Les deux fonds illustrés en figure 1 comportent des manchons tubulaires d'instruction des échantillons à étudier suivant l'axe de la cavité. De plus le fond 16 est muni d'un dispositif 22 de couplage avec un guide d'ondes non représenté. Pour réaliser la paroi latérale 12, on part d'un noyau (fig.2) en matériau bon conducteur de l'électricité, tel que du laiton constitué de deux collerettes terminales 24 et 26 et d'une partie médiane 28 de plus faible diamètre. La surface externe de la partie médiane 28 est munie d'un filetage présentant un pas triangulaire. A titre d'exemple, on peut indiquer que pour réaliser une cavité résonnant suivant le mode TEO11 à 9 GHz, c'est-à-dire en bande X, on est parti d'un noyau dont la partie médiane avait un diamètre de 42 mm, muni d'un filetage de pas compris entre 0,5 et 1 mm et de profondeur égale au pas. On enrobe ensuite la partie médiane 28 du noyau, entre les collerettes 24 et 26, d'une couche isolante annulaire 30 en utilisant les faces en regard des collerettes 24 et 26 comme parois de moulage. On peut notamment utiliser comme matériau d'enrobage le polyuréthane. Ce polyuréthane est constitué in sitU par une réaction de condensation entre deux constituants liquides, un polyol et un polyisocyanate.On usine ensuite la couche pour lui donner une surface externe cylindrique (fig. 3) et une épaisseur de l'ordre de 2 mm si les filets ont un pas de 0,5mu.. On dépose ensuite sur la couche un écran conducteur 32 (fig.3) dont l'épaisseur est supérieure à la profondeur de peau à la fréquence de résonance de la cavité (on désigne par les termes "profonfeur dè peau" la profondeur à partir de laquelle un courant alternatif de haute fréquence présente une densité de courant inférieure à une fraction de sa densité de courant superficielle égale à l/e). Lorsque la cavité est destinée à être soumise à un champ magnétique a haute fréquence, on donne de plus à ce même écran 32 une épdisseur nettement inférieure la profondeur de peau coWlespondante pour éviter d'atténuer le champ. Par ailleurs l'écran est avantageusement composite pour avoir à la fois une conductibilté électrique élevée et un bon accrochage sur I'isolant: on peut notamment utiliser un écran constitué par une couche 33 de cuivre de quelques Angstroems déposée par voie chimique, recouverte par électrolyse d'un dépôt 34 d'argent de quelques microns (fig.6). L'écran ainsi constitué constitue un blindage qui limite le rayonnement hyperfréquence de la cavité et l'antiparasite pour limiter l'atténuation du courant de création du champ mgnétique à haute fréquence, on peut de plus prévoir dans l'écran des trous répartis sur toute sa surface. Pour assurer une 3onction électrique entre l'écran 30 et les fonds 14 et 16 mis à la masse, on le relie aux collerettes 24 et 26 par des tiges 36 (fil de cuivre de 1 mm de diamètre par exemple, qui font saillie hors de la collerette 24 à laquelle elles sont fixées par soudure à l'étain (fig.3 et 6). Pour protéger l'écran 30, on le recouvre ensuite d'une nouvelle couche 38 de matériau isolant (polyuréthane par exempe) qui se raccorde à la première couche d'enrobage 30 de part et d'autre de l'écran 32. Cette couche supplémentaire 38 (fulgure 4) est ensuite usinée pour la ramener au niveau des collerettes 24 et 26. Le bloc composite de la figure 4 est ensuite percé, puis alésé à un diamètre tel que les filets disparaissent sur la moitié environ de leur hauteur (figures 5 et 6) et que seule subsiste une fraction 40 des filets d'épaisseur à la base sensiblement égale à celle de l'isolant qui les sépare (figures 5 et 6). Le coefficient de surtension de la capité ainsi constituée, munie de ses fonds 14 et 16, est médiocre. Pour l'augmenter, on dépose par électrolyse dans l'alésage 42 une couche 44 de matériau très conducteur (fig. 6), avanta geusement d'argent. Une épaisseur d'argent de l'ordre de 5 microns permet de donner à la cavité vide un coefficient de surtension-supérieur à 28 000. Ce-coefficient de surtension diminue évidemment lorsqu'un échantillon paramagnétique est placé dans la cavité, dans un rapport qui dépend évidemment de la nature de l'échantillon. I1 reste cependant toujours possible, grâce à la réalisation qui vient dd'être décrite et en excitant par un guide d'ondes débouchant dans un des fonds, de coupler parfaitement la cavité pour des surtensions en charge variant de 4 000 à 15 000 dans le cas considéré ci-dessus.Les modes de résonance parasite, très à craindre dans les domaines de fréquence correspondant aux bandes X et Q, sont pratiquement étouffés entièrement. Parmi les avantages atteints grâce à l'invention, on peut notamment mentionner la simplicité de réalisation, la rigidité mécanique élevée, la grande résistance au cho thermique permettant d'amener la cavité aux températures cryogéniques requises-pour certaines expériences-. Par ailleurs, l'écran limite fortement le rayonnement hyperfréquence de la cavité et inversement blinde celle-ci-contre les rayonnements parasites. Enfin le procédé permet de fabriquer des cavités fonctionnant non seulement sur- le mode TE01 mais -aussi suivant divers modes TEoln et ce pour diverses fréquences, notamment dans les bandes X, K, Q. L'invention est par ailleurs susceptible de nombreuses variantes. On peut en -particuî-ier ménager dans la paroi latérale une ou plusieurs fenêtres .d'irradiation (en tirets sur la Fig. 1) dont la géométrie peut être choisie à volonté. I1 va sans dire que de telles variantes, ainsi que plus généralement toutes autres restant dans le cadre des équivalences, sont couvertes par le présent brevet. REVENDICATIONS 10) Procédé de fabrication de cavité résonnante, caractérisé en ce qu'on filète un-noyau de métal bon conducteur de l'électricité, on enrobe le noyau d'une couche isolante annulaire, on dépose sur la couche isolante un écran cylindrique conducteur d'épaisseur supérieure à l'épaisseur de peau à la fréquence de résonance et éventuellement très inférieure a ltépaisseur des peau à la fréquence de modulation, et on alèse la cavité pour ne laisser subsister que les parties périphériques des filets de métal can- ducteur, séparées par de l'isolant. 20) Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on constitue l'écran d'une couche de cuivre de quelques angstroems, puis d'un dépôt d'argent de quelques microns. 3 ) Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on ménage des trous dans l'écran. '4 ' ) Procédé suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'on munit le noyau de collerettes radiales terminales qui ne sont pas enrobées et en ce que l'on munit ces collerettes de tiges de jonction avec l'écran à traver l'enrobage. 50) Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on recouvre l'écran d'une couche isolante de protection. 60) Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on dépose dans l'alpage une couche de métal bon conducteur. 70) Cavité résonnante fabriquée par le procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6. 80) Cavité résonnante suivant un mode TEO,n comprenant une couche isolante annulaire entourée d'un écran cylindrique conducteur d'épaisseur supérieure à l'épaisseur de peau à la fréquence de résonance et enrobant un filetage en matériau conducteur dont les filets susceptibles sont séparés par l'isolant, la paroi interne cylindrique de la cavité étant délimitée en partie par l'isolant et en partie par le matériau conducteur recouvert d'une couche mince de métal bon conducteur. 90) Cavité suivant la revendication 8, caractérisé en ce qu'elle comporte deux collerettes radiales terminales constituée dudit matériau conducteur et de deux fonds plats métalliques dont l'un au moins est muni d'un adaptateur de jonction avec un guide d'onde, fonds fixés de façon amovible aux collerettes. 100) Cavité suivant la revendication 9, caractérisée en ce que l'écran est noyé dans une masse d'isolant qui en déborde axialement et dont la partie interne constitue ladite couche isolante et en ce que des tiges en matériau conducteurs relient l'écran et les collerettes à travers ladite masse. 11 ) Cavité suivant la revendication 8, 9 ou 10, caractérisée en ce que le filetage est en cuivre et en ce que la couche de métal bon conducteur est en argent sous une épaisseur de quelques microns. 120) Cavité suivant la revendication 7,8,9,10 ou 11, caractérisée en ce qu'elle présente une fenêtre latérale d' irradiation.