Brevet FR2530088A1 — publié le 19840113

La présente invention concerne l'électronique quantique et a notamment pour objets une cathode de laser à gaz, par exemple de laser à C02, ainsi que des procédés de fabrication de ladite cathode de laser. Généralement, dans un laser à gaz, en particulier dans un laser à C02, on utilise des cathodes métalliques, car les métaux (le nickel, le platine, etc.) assurent les propriétés essentielles des cathodes : conductivité électrique et aptitude à l'émission d'électrons (cf. le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 3 500 242, 1970). Toutefois, les cathodes de ce genre n'assurent pas le fonctionnement de longue durée des lasers, à cause de leur pulvérisation sous l'effet du bombardement par les ions et des interactions avec les composants du mélange gazeux utile. On connatt une cathode de laser à gaz, exécutée sous forme d'un cylindre à paroi mince (dbnviron 0,7 mm d'épaisseur) en matière électroconductrice émettrice telle que le kovar (alliage de 28% de Ni, 18% de Co et 54% de Fe) - cf. O.K. Ilina et ai. "Série de générateurs quantiques expérimentaux à gaz carbonique réalisée à base de la conception type LG-17" (revue "Kvantovala élektronika", 1971, N 6, p. 78). Cette cathode, comme du reste les autres cathodes métalliques, est sujette à pulvérisation sous l'effet du bombardement par les ions, ce qui entrasse une modification de la composition du mélange utile de gaz, une diminution rapide de la puissance du rayonnement, ce qui limite la longévité de l'appareil (celle-ci ne dépasse pas 500 heures). On connatt en outre des cathodes pour instruments électroniques et ioniques en carbures de métaux réfractaires, qui possèdent des propriétés émettrices et une haute conductivité électrique (cf. S.P. Rakitine et al. "Quelques résultats de l'utilisation des carbures de métaux de transition pour les cathodes de dispositifs électroniques". "Radiotekhnika i élektronika", 1964,IX, N05,pp.902 à 904). En comparaison des métaux, les carbures de nombreux métaux réfractaires ne sont sujets qu'à une pulvérisation insignifiante quand ils sont soumis au bombardement ionique et ne réagissent pratiquement pas avec les constituants actifs du mélange gazeux des lasers à C02. Généralement, les produits en carbures, y compris les cathodes, sont fabriqués par la méthode de la métallurgie des poudres : par moulage sous pression et frittage. Toutefois, la fabrication en carbures des cathodes de lasers à gaz, à parois relativement minces ( d'une épaisseur de 0,5 à 0,8 mm) par la méthode précitée est rendue difficile par la fragilité des carbures (cf. L.I.Strouk. " Les particularités essentielles du moulage sous pression des carbures", dans le recueil "Les carbures réfractaires", Kiev, Editions "Naoukova Doumka", 1970, pp. 45 à 51). On connaît d'autre part un procédé de fabrication de différents produits, qui peut servir également à la fabrication des cathodes en carbures de métaux réfractaires, comprenant le chauffage d'une ébauche en graphite dans une atmosphère depentachlorure de tantale ou de niobium et d'argon, fondé sur l'interaction du graphite avec un halogénure de métal à température élevée, avec formation d'un revete- ment de carbure (cf. N.N. Repnikov et al. "Les conditions physico-chimiques de formation saur le graphite d'un dépit de carbure de niobium", dans le recueil " Les revêtements protecteurs stables aux températures élevées", Léningrad, Editions "Naouka',' 1968, p. 124).Toutefois, la fabrication des cathodes pour les lasers à gaz par ce procédé ne conduit pas à une amélioration sensible de la longévité du laser car le support en graphite réagit activement avec le milieu gazeux du laser,ce qui ne permet pas d'assurer dans une pleine mesure lespétés utiles du carbure lui-meme. On connait également un procédé de fabrication de pièces (enparticulier de cathodes) à partir de carbures de métaux réfractaires, comprenant le chauffage d'une ébauche métallique (notamment en tantale cuen niobium) ausein dun lit de graphite en poudre sous atmosphère d'argon, fondé sur une carburation par diffusion (cf. G.V. Samsonov et al. "Les revêtements réfractaires", Mos cou, Editions "Métallurgia", 1973, p. 135). Toutefois, la fabrication des cathodes pour lasers à gaz par ce procédé est-elle aussi dénuée d'avenir à cause de la présence d'une base métallique active qui influe sur la composition du milieu gazeux. On s'est donc proposé de créer, d'une part, une cathode de laser à gaz présentant des propriétés émettrices et électroconductrices élevées et une faible aptitude à la pulvérisation sous-l'action du bombardement ionique, ce qui permettrait d'accrottre la longévité de l'appareil, et d'autre part, des procédés de fabrication d'une telle cathode. Ce problème est résolu grace à une cathode de laser à gaz exécutée sous forme d'un cylindre creux en matière électroconductrice et émettrice, caractérisée, suivant l'invention, en ce que la paroi dudit creux est constituée de trois couches de carbures de métaux du groupe A de la Classification périodique des éléments, dont les couches extérieures ont la composition MeCO 74 à 0,95' et dont la couche intérieure a la composition Me0,92 à 0,98 ouse compose de semi-carbure MeC0,5, (où Me signifie ledit métal). L'invention a également pour objet un procédé de fabrication de ladite cathode, du type comprenant le chauffage d'une ébauche de graphite dans une atmosphère de pentachlorure de tantale ou de niobium, caractérisé, suivant l'invention, en ce que l'on chauffe l'ébauche de cathode en graphite à une température de 2300 à 2500 C et on la maintient à cette température pendant 5 à 8 heures. L'invention aen outre pour objet un procédé de fabrication de ladite cathode, du type comprenant le chauffage d'une ébauche de tantale ou de niobium au sein d'un lit de poudre de graphite Sous atmosphère d'argon, caractérisé, suivant l'invention,en ce que l'on porte. l'ébauche de cathode à une température de 2000 à 22000C et on la maintient à ladite température pendant 5 à 10 heures. La cathode de laser à gaz exécutée conformément à la présente invention présente une faible tendance à la pulvérisation, une bonne stabilité en milieu gazeux, une haute résistance mécanique, -une haute conductîvité électrique, et de hautes propriétés émettrices. Ces avantages de la cathode conforme à l'invention permettent d'augmenter sensiblement ( d'environ dix fois) la longévité des lasers à gaz. Les procédés proposés de fabrication de cathodes de laser à gaz sont simples à mettre en oeuvre et permettent d'obtenir des structures de cathodes à parois minces (d'environ 0,5 à 0,7 mm) résistantes au point de vue mécanique. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparattront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs avec référencesau dessin non limitatif annexé , représentant une vue en coupe longitudinale d'une cathode de laser à gaz conforme à l'invention. La cathode de laser à gaz suivant l'invention est réalisée sous forme d'un cylindre creux dont les parois ont une structure à trois couches et dont le matériau est constitué par des carbures .de métaux du groupe NA de la Classification périodique des éléments. Les couches extérieures 1 ont la composition MeCO 74 à 0,95 ( où Me signifie le métal), tandis que la couche intérieure 2 a la composition MeCO 92 à 0,98 ou bien est constituée de semi-carbure Mec 5. Les rapports des épaisseurs des couches 1-2-1 sont choisis dans les limites de 1/1/1 à 1/0,25/1. Ces rapports sont justifiés par la nécessité de combiner de bonnes caractéristiques d'exploitation de la cathode (faible tendance à la pulvérisation, stabilité en milieu gazeux, etc.) avec une résistance mécanique élevée en tant qu'élément structurel de laser. Comme il a été établi expérimentalement, les caractéristiques d'exploitation requises de la cathode sont assurées par la composition du monocarbure MeCO 74 à 0 95 ' et pour cette raison la composition des couches de carbures extérieures 1 se trouve de préférence dans les limites indiquées. La résistance mécanique requise de la cathode est assurée par la couche intérieure 2, de structure en nids d'abeilles, constituée de monocarbure de tantale ou de niobium de composition correspondante comprise dans les limites de MeC0,92 à 0,98' ou en semi-carbure de tantale ou de niobium MeCO 5 ( la composition des couches extérieures étant MeC0,8 à 0,95), ayant une résilience plus élevée que celle des monocarbures. Les rapports des épaisseurs de couches de 1/1/1 à 1/0,25/1 assurent, comme il a été établi expérimentalement, la résistance mécanique nécessaire de la cathodeen tant qu'élément structurel de laser. Le procédé de fabrication de la cathode de laser à gaz peut être mis en oeuvre suivant deux variantes. Dans la première variante du procédé de fabrication de la cathode on utilise comme substrat une ébauche creuse de graphite à épaisseur de paroi légèrement inférieure à l'épaisseur de la cathode finie. On porte l'ébauche, dans un mélange de vapeurs de pentachlorure de tantale ou de niobium et d'argon (1,5 à 2 g/l d'argon), à une température de 2300 à 25000C et on la maintient à cette température dans ce milieu gazeux pendant 5 à 8 heures. On choisit la température et la durée du processus, l'épaisseur initiale de l'ébauche etla concentration en pentachlorure de manière que le processus de carburation se déroule avec formatiarl d'une structure carburée à trois couches ayant les compositions requises et conformes aux rapports requis de leurs épaisseurs. On obtient la structure à trois couches de la cathode du fait que les paramètres choisis du procédé permettent la formation simultanée, sur toute la surface de 1' ébauche de graphte couche dense de caobure (extérieure), la croissance du carbure ne s'effectuant ensuite que par diffusion du carbone à partir du substrat de graphite intérieur qui, à un stade déterminé du processus, se transforme en une structure ameublie, dans les interfaces des grains de laquelle pénètre le pentachiorure, en la transformant ainsi en carbure qui sert à renforcer les couches extérieures. A des températures du processus inférieures à 23000C, il se forme des couches extérieures trop denses qui ralentissent sensiblement le processus de carburationetemptiEnt l'obten- tion du résultat recherché en un temps acceptable. Lorsque la température dépasse 25000 C, il y a formation de couches de carbures meubles parce que la réaction se déroule dans la masse. L'épaisseur de départ de l'ébauche est choisie par calcul de la densité du carbure de tantale ou de niobium et par approximation expérimentale. Etant donné que toutes les conditions de déroulement du processus de fabrication de cathodes de paramètres requis sont liées les unes aux autres, la durée de la carburation est déterminée expérimentalement en partant des résultats des analyses métallographiques et radio-cristallographique des cathodes finies et de la variatbn de la masse de l'ébauche de graphite après sa carburation. La durée de maintien de 5 à 8 heures indiquée plus haut assure la conversion complète du graphite en structure carburée. Les conditions concrètes de réalisation de la première variante du procédé revendiqué et les paramètres des cathodes obtenues sont résumés dans le Tableau 1 donné plus loin. Suivant la seconde variante de fabrication des cathodes conformément au procédé de linvention,onporteunee1xuF che métallique (entantale ou en niobium), d'une épaisseur de paroi légèrement inférieure à l'épaisseur de la paroi de la cathode finie, à une température de 2000 à 22000C dans un lit de graphite en poudre dans un milieu inerte, et on la maintient à cette température pendant 5 à 10 h. On choisit le régime et l'épaisseur de l'ébauche de manière à assurer le déroulement du processus de carburation avec formation d'une structure carburée trois couches, de composition et de rapports d'épaisseurs requis. La structure à trois couches de la cathode, dans ce cas, est assurée par le fait que la carburation des métaux du Groupe A se déroule en conformité avec le diagramme d'état Me-C, c'est-à-dire que dans les couches extérieures en contact avec le carbone il se forme un mono carbure MeCx, où x peut prendre des valeurs voisines de la limite supérieure d'homogénéité du carbure, tandis que la couche intérieure se transforme en semi-carbure lorsque les temps de maintien sont plus importants. Les vitesses réelles du processus dépendent d'un grand nombre de paramètres et ne peuvent pas autre calculées théoriquement avec la précision requise. Pour cette raison, il est indispensable de déterminer expérimentalement les conditions d'execution du procédé et les paramètres des cathodes à obtenir. A une température inférieure à 20000C, le processus de carburation se ralentit sensiblement, ce qui conduit à une prolongation considérable de la durée de carburation. A des températures supérieures à 22000C le processus de carburation s'accompagne de la formation de défauts dans les couches de carbures croissantes et d'une variation de la forme de la cathode, due aux contraintes internes et à la déformation plastique.Lorsqu'on veut obtenir des cathodes à partir de carbure de niobium, la température est maintenue dans les limites de 2000 à 21000C, et à partir de carbure de tantale, dans les limites de 2100 et 22000C. Etant donné que toutes les conditions de déroulement du processus de fabrication de-cathodes de paramètres requis sont liées entre elles, la durée du processus est un facteur additif et ses valeurs sont établies expérimentalement sur la base de l'analyse métallographique. La durée du processus augmente avec la diminution de la température et de l'épaisseur de la couche intérieure de composition MeC0,5. Etant donné que les semi-carbures de tantale et de niobium ont un domaine d'homogénéité très étroit et un réseau hexagonal, il n'a pas été possible, en partant des données de l'analyse aux rayons X, d'établir les variations de la composition du semitcarbure Les conditions concrètes de réalisation de la seconde variante du procédé revendique et les paramètres des cathodes obtenues sont résumés dans le Tableau TI donné plus bas. T A B L E A U I N Matière Paramètres du procédé Paramètres des cathodes obtenues d'ordre de l'ébauche Tempéra- Durée, Concehtration Rapport des Composition de Composition de ture, C h. en pentachlo- épaissaurs la couche la couche rure,g/l d'argon des couches extérieure intérieure 1 2 3 4 5 6 7 8 1 Graphite 2500 5 2 1/0,5/1 TaC0,74 TaC0,92 2 " 2300 8 2 1/1/1 TaC0,92 TaC),98 3 " 2400 6 1,5 1/0,5/1 NbC0,74 NbC0,92 4 " 2300 8 1,5 1/1/1 NbC0,92 NbC0,98 T A B L E A U II N Matière Paramètres du procédé Paramètres des cathodes obtenues d'ordre de l'ébauche Tempéra- Durée, Concertration Rapport des Composition de Composition de ture, C h. en pentachlo- épaisseurs la couche la couche rure, g/l dargun des oouches extérieure intérieure 1 2 3 4 5 6 7 8 1 Niopium 2000 4 - 1/0,5/1 NbC0,95 NbC0,5 2 Tantale 2200 s - 1/0,25/1 TaC0,8 TaC0,5 3 Niobium 2100 5 - 1/0,3/1 NbC0,9 NbC0,5 4 Tantale 2100 10 - 1/0,5/1 TaC0,85 TaC0,5 On a soumis à des essais des lasers à C02scellés comportant différentes cathodes conformes à l'invention, dont les paramètres sont citésdans les Tableaux I et II ci-dessus. A titre de comparaison on a soumis également aux essais un laser à C02 scellé, pourvu d'une cathode métallique (en kovar) de forme analogue. Les essais ont montré que l'utilisation des cathodes en carbure de tantale ou de niobium fabriquées conformément à 11 invention permet d'accrottre la longévité des lasers à C02 scellés de 500 heures ( pour une cathode en kovar) à 10 000 heures et davantage. Par ailleurs, on-obtient simultanément la valeur maximale possible de la puissance spécifique du rayonnement par unité de longueur et on maintient ladite puissance spécifique pratiquement invariable dans le temps. Il a été établi que les limites de longévité sont imposées non pas par l'influence de la cathode, mais par d'autres facteurs dont l'élimination devrait assurer une nouvelle prolongatin de la durée de service. Ainsi, l'avantage de la cathode revendiquée de laser à gaz par comparaison avec les cathodes déjà connues est qu'elle permet d'accrottre de plusieurs fois la longévité des lasers. Cela est vrai non seulement des lasers à C02, mais également d'un grand nombre d'autres lasers à gaz dans lesquels la pulvérisation de la cathode joue un rôle essentiel, notamment les lasers à C02, des lasers au néon et à l'hélium, etc. R E V E N D I C A T I O N S 1. Cathode de laser à gaz,du type se présentant sous forme d'un cylindre creux en matière électroconductrice émettrice, caractérisée en ce que la paroi du cylindre est constituée. de trois couches en carbures de métaux du groupe A de la Classification périodique des éléments, les couches extérieures (1) étant de composition MeC0,74 à 0,95,et la couche intérieure (2) étant de composition MeC0,92 à 0,98 ou étant constitué de semi-carbure MeC0,5. 2. Procédé de fabrication d'une cathode, du type comprenant le chauffage d'une ébauche de cathode sous atmosphère de pentachlorure de tantale ou de niobium et d'argon, caractérisé en ce que l'on porte l'ébauche à une température re de 2300 à 2500 C et qu'on la maintient à cette température pendant 5 à 8 heures. 3. Procédé de fabrication d'une cathode, du type comprenant le chauffage d'une ébauche de -cathode en tantale ou en niobium dans unlit de graphite pulvérulent sous atmos- phère diargon, caractésise en ce que lton porte l'ébauche à une température de 20000C à 22000C et qu'on la maintient à cette température pendant 5 à 10 heures.