Brevet FR2188255A1 — publié le 19740118

La présente invention due aux travaux de Messieurs Philippe MARTIN et Pierre PINARD de l'institut National des Sciences Appliquees de Lyon et de Monsieur Henri FOULQUIER du Commissariat à l'Energie Atomique, est relative à un dispositif de déviation magnétique, ci-après appelé prisme de déviation, permettant de faire subir à un faisceau d'électrons une brusque déflexion, avec un rayon de courbure réduit et une focalisation satisfaisante de ce faisceau après déviation. Elle a pour but surtout, grâce à l'utilisation d'un faisceau de puissance spécifique élevée et à une déflexion de ce faisceau selon un angle important, pouvant varier entre 450 et 900, de permettre le soudage par bombardement d'électrons de pièces dont l'accès est di-fficile et en particulier d'éléments tubulaires de diamètre relativement restreint dans lesquels ne peuvent s'engager les canons habituellement réalisés pour la production des faisceaux nécessaires. Notamment, elle vise à réaliser une déviation contrôlée en même temps qu'une refocalisation du faisceau telle que ce dernier, à la sortie du prisme et pour des puissances pouvant varier entre 5 et 30 KW ou plus, présente des caractéristiques pratiquement identiques à celles du faisceau incident provenant du canon d'électrons. A cet effet, le prisme selon l'invention se caractérise en ce qu'il comporte un corps en un matériau amagnétique de forme générale cylindrique, muni de moyens d'adaptation sur un canon fournissant un faisceau d'électrons incident de révolution autour d'un axe, traversant le corps par un passage coaxial au faisceau et se prolongeant à l'opposé du canon par une fente formant entrefer délimitée par deux pièces polaires planes parallèles et identiques, faisant partie d'un circuit magnétique monté dans le corps et entre lesquelles est établi un champ magnétique de-déviation, perpendiculaire à ces pièces et à l'axe du faisceau, chacune de ces pièces polaires présentant des faces terminales à l'entrée du faisceau incident et à la sortie du faisceau émergent dont la normale fait avec l'axe de ce faisceau des angles prédéterminés. Conformément aux lois générales de l'électromagnétisme, chaque électron du faisceau incident à la traversée de l'entrefer entre les pièces polaires1 subit une déviation circulaire dont le rayon de courbure est constant pour un champ magnétique uniforme, la valeur de ce rayon étant donnée par la formule où B est le champ magnétique, V la tension d'accélération des electrons provenant du canon, et n le rapport de la charge à la masse de l'électron. On sait par ailleurs qu'à la sortie du canon, le faisceau d'électrons est généralement focalisé en un point, dit point objet, réel ou virtuel selon que ce faisceau est convergent ou divergent. A la traversée de l'entrefer entre les pièces polaires, et si l'on ne prend pas certaines mesures, les électrons se trouvent déviés avec un rayon de courbure donné, identique pour chacun d'eux, mais conduisant dans l'ensemble du faisceau à des trajectoires qui à la sortie de l'entrefer ne restituent généralement pas un faisceau émergent focalisé convenablement. Les dispositions de réalisation du prisme de déviation selon l'invention permettent au contraire une focalisation satisfaisante du faisceau émergent en un point de concentration de dimensions convenables ou point image à la sortie du prisme. Le prisme considéré peut être défini, du point de vue de l'optique électronique et dans la région de l'entrefer où est produit le champ magnétique uniforme de déviation, par deux sections principales, dont l'une plane, est perpendiculaire au champ et l'autre cylindrique, est parallèle au champ et s'appuie survola trace de l'axe du faisceau dans la première, Dès lors et si 1 désiqne la distance du point objet à la face d'entrée des pièces polaires dans l'entrefer et 11 et 12 les distances des points images dans la première et la seconde des sections principales définies ci-dessus, à la face de sortie de ces mêmes pièces polaires, on caractérise le stigmatisme ou l'astigmatisme du prisme considéré, selon que ces distances 1 et 12 sont ou non égales entre elles. De même, on définit les grandissements transversaux gl et g2 du prisme dans ces deux sections principales par le rapport des tailles des images et de l'objet, mesurés perpendiculairement à l'axe optique tandis que les grandissements angulaires y1 et Y2 correspondent au rapport des demi-angles de convergence du faisceau, mesurés aux points images et au point objet. Enfin, les grandissements axiaux respectivement dans l'une et l'autre des deux sections principales, mesurent le déplacement des images le long de l'axe du faisceau émergent, correspondant à un déplacement de référence du point objet le long de l'axe du faisceau incident. Toutes les grandeurs précédentes, caractéristiques du prisme de déviation considéré, sont en réalité et comme le montre le calcul et l'expérience , fonction de la valeur des angles E1 et s2 présentés par les faces terminales des pièces polaires à l'entrée et à la sortie de l'entrefer, ces angles etant mesurés entre la normale à ces faces et l'axe du faisceau incident dans un cas et émergent dans l'autre, ces angles étant comptés positivement ou négativement selon que l'axe du faisceau est du même côté ou du côté opposé de la face correspondante par rapport à cette normale. Avantageusement, et pour faire varier les valeurs des angles s1 et s2 les pièces polaires sont constituées, soit par des plaques amovibles et interchangeables, soit par des éléments intermédiaires fixés sur le circuit magnétique du corps du prisme et sur lesquels sont rapportées des plaquettes d'extrémité amovibles, à l'entrée et/ou à la sortie du faisceau. Par ailleurs et pour tenir compte des effets de la température engendrée par l'impact du faisceau émergent dans la zone de soudure, les pièces polaires sont associées à l'extérieur de l'entrefer à un circuit indépendant d'eau de refroidissement. Quel que soit le mode de réalisation choisi, les pièces polaires définissent entre elles un entrefer étroit compatible avec le diamètre du faisceau incident. De méme, le rapport de la largeur de l'entrefer au rayon de courbure est aussi réduit que possible de manière à réduire les pertes et les perturbations du faisceau par effets des bords de ces pièces. A noter cependant que le rayon de courbure lui-même doit être suffisamment faible pour que le champ magnétique créé, qui est inversement proportionnel à ce rayon de courbure, soit relativement grand devant les champs parasites tels que le champ résiduel dans l'entrefer, les champs induits... Les angles d'entrée et de sortie E1 E 2 sont en effet choisis de telle sorte que les grandissements transversaux g1 et g2 ne soient pas trop grands afin de diminuer la perte de densité de puissance du faisceau. Le rapport gl / 2 est ajustable dans de larges proportions car il permet d'obtenir un spot image qui a ou non une symétrie de révolution suivant qu'il est souhaitable ou non d'obtenir cette symétrie pour les meilleures conditions de soudure. De même, les grandissements angulaires y1 et y2 doivent être tels que les angles d'ouverture du faisceau émergent à son impact sur la jonction des éléments à souder, soient les plus favorables à une pénétration profonde des électrons dans ces eléments.Les grandissements axiaux doivent être de plus voisins l'un de l'autre pour qu'un déplacement. du point objet, commandé par la lentille du canon, ne corresponde pas à un déplacement des points images d'amplitude exagérée. Enfin, les angles d'entrée et de sortie E1 et s2 des pièces polaires sont de préférence déterminés pour que les images du faisceau dévié soient stigmatiques, les valeurs des distances l1 et 12 étant de préférence positives, permettant la réalisation d'une soudure profonde et régulière. A noter que les images du faisceau fournies par le prisme peuvent sans inconvénient, etre formées à partir d'un objet réel, I étant positif, ou bien virtuel 1 étant négatif. Toutefois, pour limiter le diamètre du faisceau incident au niveau de l'entrefer entre les pièces polaires, il est généralement plus avantageux de travailler soit avec un objet virtuel, soit avec un objet réel associé à une faible distance objet 1. Enfin, le positionnement des pièces polaires par rapport aux éléments à souder est déterminer par le calcul des réluctances de fuite de façon à minimiser le court-circuit magnétique crée par ces éléments dans la mesure où ceux-ci sont eux-mêmes ferromagnétlques. Selon une caractéristique particulière de l'invention, le circuit magnétique monté dans le corps du prisme comporte deux bobinages électriques alimentés en série et créant entre les pièces polaires le champ magnétique nécessaire. De préférence les bobinages sont réalisés avec du fil de cuivre émaillé, noyé dans une résine de protection. Le nombre d'ampère-tours de ces bobinages est donné par la formule: où N est le nombre de tours de fil de ces bobinages, I l'intensité du courant qui les parcourt, B le champ dans l'entrefer dont la -largeur est e, et Ç la perméabilité du vide. Compte tenu de la valeur du rayon de courbure du faisceau, le champ dans l'entrefer n'excède jamais 300 gauss et le nombre d'ampère-tours 300. Dans ces conditions, les bobinages du circuit magnétique sont peu encombrants, présentent un coefficient de self-induction négligeable et n'exigent qu'une puissance d'alimentation très faible mais une intensité stabilisée pour ltobtention d'un champ magnétique parfaitement stable et constant, conservant des conditions de déviation et de focalisation du faisceau émergent satisfaisantes. Dans un mode de réalisation particulier, le circuit magnétique comporte un noyau de fer doux en U présentant des branches latérales disposées parallèlement au passage du faisceau, sur lesquelles sont montés les bobinages électriques, ces branches comportant à leurs extrémités les pièces polaires. Bien entendu et dans d'autres variantes, le noyau pourrait présenter des formes différentes avec une disposition également différente pour les bobinages électriques. Enfin et selon une caractéristique annexe, le corps de prisme comporte1 à son extrémité opposée aux pièces polaires1 un plateau transversal apte à être solidarisé avec une bride portée par le canon, la liaison entre le corps et le plateau étant réalisée-par un dispositif de deux glissières perpendiculaires, permettant de régler la position des pièces polaires par rapport au faisceau incident. De préférence, le plateau transversal comporte des moyens d'a7ustement du parallélisme de la bride et du plateau pour faire coïncider les axes du faisceau incident et le plan médian de l'entrefer. D'autres caractéristiques d'un prisme de déviation établi conformément à l'invention apparaitront encore à travers la description qui suit d'un exemple de réalisation, donné à titre indicatif et non limitatif, en relation avec les dessins annexés sur lesquels: - les Fig. 1 et 2 sont des vues schématiques en elévation et en coupe selon deux plans perpendiculaires d'un prisme de déviation considéré, - la Fig. 3 est une vue de détail d'une variante de réalisation des pièces polaires. Sur les Fig. 1 et 2, la référence 1 désigne le corps du prisme de déviation envisagé, réalisé en un matériau amagnétique convenable, notamment en laiton ou en cuivre. A l'intérieur de ce corps est monté un circuit magnétique 2, notamment en fer doux, présentant la forme d'un U renversé dont les deux branches latérales parallèles, respectivement 3a et 3b sont réunies à leur partie supérieure par une culasse transversale 4 au moyen de vis 5. Sur chacune des branches 3a et 3b formant noyaux magnétiques sont disposées des bobines magnétiques, respectivement 6a et 6b, réalisées à partir d'un enroulement de fil de cuivre émaillé, de préférence noyé dans une résine de protection qui leur assure en même temps une rigidité convenable.Les extrémités des enroulements des deux bobines sont réunies par des conducteurs 7 à une borne de connexion électrique 8, permettant de relier ces bobines à une source d'alimentation stabilisée extérieure fournissant un courant électrique parfaitement déterminé. Le circuit magnétique 2 ainsi réalisé est monté dans le corps 1 à l'intérieur d'un carter 9, comportant à sa partie inférieure une plaque support transversale 10, prolongée par deux flasques parallèles, respectivement îîa et llb en contact avec les noyaux 3a et 3b. Sur ces flasques sont montées des pièces massives 12a et 12b, rendues solidaires par des vis de blocage de deux plaquettes parallèles 13a et 13b, constituant les pièces polaires, se faisant face et délimitant entre elles un espace de largeur donnée définissant l'entrefer du circuit magnétique du prisme.Les ensembles constitués par les pièces et plaquettes 12a, 13a d'une part, 12b, 13b d'autre part se faisant face de part et d'autre de l'entrefer précédent, sont associés à un circuit de refroidissement 14, comportant deux canalisations respectivement 15 et 16, servant à l'amenée et à l'évacuation d'un liquide approprié, notamment de l'eau, ces canalisations étant réunies dans le plan médian du corps 1 par un boitier de jonction 17 (Fig,2). Sur les figures, les flèches 18 schématisent le sens de circulation de l'eau de refroidissement à l'intérieur du circuit 14. A son extrémité opposée aux pièces polaires 13a et 13b, le carter 9 du corps 1 comporte un bottier 19 muni d'un premier chambrage creux 20 formant glissière pour un sabot 21 de réglage en position du corps 1, ce sabot comportant un alésage taraudé en prise avec l'extrémité d'une vis 22 commandée de l'extérieur du carter 9 par un bouton de commande 23. Le sabot 21 est lui-même monté dans une seconde glissière 24, perpendiculaire à la glissière 20, ménagée dans une platine supérieure 25, la commande de position du sabot 21 par rapport à cette platine étant réalisée par un organe de commande 26, analogue à celui constitué par la vis 22.La platine 25 est à son tour rendue solidaire d'un plateau de positionnement 27 par l'intermédiaire de dispositifs permettant d'ajuster leur horizontalité relative , ces dispositifs, schématisés en 28, comportant un goujon fileté 29 coopérant avec des écrous terminés par des coupelles 30 formant rotules. Enfin, le plateau 27 est lui-même solidarisé par des vis 31une bride de positionnement 33 par rapport à l'extré- mité d'un canon à électrons 33 d'un type en lui-même classique, fournissant un faisceau d'électrons incident dont la direction est schématisée sur les figures par les flèches 34. Ce faisceau traverse axialement le corps 2 à travers un passage délimité par un évidement 35 ménagé dans le carter 9 et s'étendant parallèlement à la direction du circuit magnétique formé par les éléments 3a et 3b et la culasse supérieure 4, le réglage de coIncidence de l'axe de ce faisceau et de celui du corps 1 étant assuré par les glissières 20 et 24 et les dispositifs de réglage 28.Ce faisceau incident pénètre, à l'extrémité opposée du corps 1 dans l'entrefer ménagé entre les pièces polaires 13a et 13b où sous l'effet du champ magnétique créé par les bobines 6a et 6b et qui s'étend perpendiculairement à la direction de ces pièces, il se trouve dévié par rapport à l'axe du faisceau incident avec un angle qui, selon les caractéristiques géométriques du prisme et la valeur du champ magnétique et de la tension d'accélération du canon, peut varier entre 45 et 900. Le faisceau émergent sortant de l'entrefer présente ainsi une orientation et une focalisation qui, comme on l'a déjà précisé, dépendent des angles E1 et e2 formés par la normale aux faces 36 et 37 des pièces polaires 13a et 13b avecla direction de l'axe des faisceaux incident et émergent.A sa sortie de l'entrefer, le faisceau émergent est représenté schématiquement selon la direction de la flèche 38, cette direction étant dans l'exemple de réalisation considéré sensiblement perpendiculaire à la direction 34 du faisceau incident. Les dispositions de réalisation ainsi envisagées permettent notamment d'assurer un soudage dans des zones d'accès difficile tel qu'à l'intérieur d'un élément tubulaire 39 formé par l'emboitement de deux tubes 40 et 41 venant buter l'un contre l'autre contre une portée 42. Le faisceau d'électrons émergent des pièces polaires peut être ainsi dirigé vers cet épaulement 42 au niveau de la 3onction des deux pièces et réaliser à ce niveau une soudure 43 qui, pour des caractéristiques données de ce faisceau, est suffisamment profonde et focalisée pour assurer une liaison entre les deux pièces parfaitement satisfaisante, sensiblement identique à celle qui serait obtenue par le faisceau incident lui-même pour une soudure directement réalisée sur le trajet de ce faisceau.En particulier, le faisceau émergent provoque au niveau de la soudure, un bain de matière fondue avec des qualités de pénétration et de finesse en tous points comparables. Bien entendu, comme il est classique dans la technique de soudage par bombardement électronique, des précautions doivent être prises, en particulier lorsque la puissance spécifique du faisceau incident est élevée, pour éviter que se produisent des coulées du bain fondu au niveau de la soudure réalisée. Ces coulées qui dépendent également de la nature du métal et de sa tension superficielle à l'état fondu, ne sont cependant par inhérentes à la technique de déviation mise en oeuvre par le prisme selon l'invention, mais sont essentiellement dues au positionnement relatif du plan du cordon de soudure par rapport à l'axe du faisceau. Pour les éviter, il peut être souhaitable de prévoir une corniche du genre de celle réalisée par l'épaulement 42 sur la Fig.l en-dessous du plan de joint entre les tubes 40 et 41, les passes de soudage réalisées étant effectuées à vitesse assez rapide avec, en outre, une orientation du faisceau légèrement inclinée. Le prisme proposé permet en particulier d'ajuster facilement cette orientation et par conséquent de réaliser des conditions optimales pour la soudure à effectuer. Les dispositions de réalisation décrites précédemment permettent par ailleurs de réaliser sans difficultés particulières, des conditions convenables pour l'extinction du faisceau en fin de réalisation du cordon de soudure circulaire. On sait en effet que dans le cas d'une soudure linéaire, il est généralement prévu d'utiliser un talon en bout de cordon que l'on élimine ensuite par rectification et usinage. Dans le cas d'une soudure circulaire, un tel talon d'extrémité n'est plus réalisable, l'extinction du faisceau s'effectuant dans les dispositifs connus, en abaissant progressivement la puissance du faisceau par action sur la haute tension du canon. Le prisme considéré procurant une déviation du faisceau qui est elle-même fonction de la tension d'accélération (formule (1) vue plus haut) ,il convient dans ce cas de réaliser-un asservissement entre la valeur de cette tension et celle du champ magnétique créé dans entrefer entre les pièces polaires, cette dernière étant elle-même fonction du courant qui traverse les bobinages du circuit magnétique.Une autre méthode plus avantageuse peut également consister à utiliser pour les canons fournissant le faisceau incident, des canons connus dans la technique sous le nom de canons tripdes, dans lesquels la puissance fournie peut être réduite sans modifier la valeur de la haute tension, par simple action sur le débit d'électrons fourni à l'aide d'une polarisation convenable sur le Wehnelt. Les avantages du prisme de déviation selon l'invention découlent des explications précédentes et se caractérisent essentiellement par les grands angles de déviation obtenus, par les multiples géométries envisageables possibles pour les pièces polaires et le circuit magnétique, permettant leur adaptation à pratiquement tous les problèmes particuliers de soudage susceptibles d'être posés, par le faible encombrement du corps de prisme et sa possibilité de miniaturisation des pièces polaires7 conséquence de l'emploi de faibles rayons de courbure rendant son emploi adapté à la soudure de pièces d'accès difficiles dans des zones relativement éloignées des canons fournissant le faisceau d'électrons.Le principe même du prisme et son optique électromagnétique de déviation évitent par ailleurs les risques de disjonction du canon par renvoi de particules ionisées au niveau de la soudure effectuée en direction de ce canon, par suite de la courbure du faisceau. Bien entendu, il va de soi que l'invention ne se limite pas à l'exemple de réalisation plus spécialement décrit et représenté; elle en embrasse au contraire toutes les variantes. En particulier et comme le montre la Fig. 3, on pourrait aisément envisager de modifier la forme et la structure des pièces polaires constituées par les plaquettes 13a et 13b délimitant entre elles l'entrefer. Sur cette figure, on voit que ces plaquettes peuvent être réalisées au moyen d'éléments intermédiaires 50, fixés sur les noyaux du circuit magnétique et sur lesquels sont rapportées des pièces d'extrémité amovibles 51 et 52 de même nature ou de nature différentes des éléments intermédiaires présentant dans leurs faces d'entrée et de sortie des angles E1 et E2 adaptés aux caractéristiques du faisceau d'électrons et aux conditions de soudure à réaliser. REVENDICATIONS 10) Prisme de déviation pour faisceaux d'électrons, caractérisé en ce qu'il comporte un corps en un matériau amagnétique de forme générale cylindrique, muni de moyens d'adaptation sur un canon fournissant un faisceau d'électrons incident de révolution autour d'un axe, traversant le corps dans un passage coaxial au faisceau et se prolongeant à l'opposé du canon par une fente formant entrefer délimitée par deux pièces polaires planes parallèles et identiques, faisant partie d'un circuit magnétique monté dans le corps et entre lesquelles est établi un champ magnétique de déviation perpendiculaire à ces pièces et à l'axe du faisceau, chacune de ces pièces polaires présentant des faces terminales à l'entrée du faisceau incident et à la sortie du faisceau émergent dont la normale fait avec l'axe de ce faisceau des angles prédéterminés. 20) Prisme de déviation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pièces polaires sont constituées, soit par des plaques amovibles et interchangeables, soit par des éléments intermédiaires fixés sur le circuit magnétique du corps du prisme et sur lesquels sont rapportées des plaquettes d'extrémité amovibles, à l'entrée et/ou à la sortie du faisceau. 30) Prisme de déviation selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les pièces polaires sont associées à l'extérieur de l'entrefer à un circuit indépendant d'eau de refroidissement. 40) Prisme de déviation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit magnétique monté dans le corps comporte deux bobinages électriques alimentés en série et créant entre les pièces polaires le champ magnétique nécessaire. 50) Prisme de déviation selon la revendication 4, caractérisé en ce que les bobinages sont réalisés avec du fil de cuivre émaillé, noyé dans une résine de protection. 60) Prisme de déviation selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit magnétique comporte un noyau de fer doux en U présentant des branches latérales disposees parallèlement au passage du faisceau dans le corps et sur lesquelles sont montés les bobinages électriques, ces branches comportant à leurs extrémités les pièces polaires. 70) Prisme de déviation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps comporte, à son extrémité opposée aux pièces polaires, un plateau transversal apte à être solidarisé avec une bride portée par le canon, la liaison entre le corps et le plateau étant réalisée par un dispositif de deux glissières perpendiculaires, permettant de régler la position des pièces polaires par rapport au faisceau incident. 80) Prisme de déviation selon la revendication 7, caractérisé en ce que le plateau transversal comporte des moyens d'ajustement du parallélisme de la bride et du plateau pour faire coincider les axes du faisceau incident et le plan médian de l'entrefer.