Brevet FR2582319A1 — publié le 19861128

La présente invention concerne l'évaporation sous vide du nickel, de préférence de l'isotope 58 Ni, en vue d'obtenir de fines o couches (1200 à 1500 a en pratique), par exemple pour des pièces destinées à la fabrication de guides à neutrons. Les guides à neutrons sont fondés sur le phénomène de réflection totale mis en évidence par FERMI et ont été développés depuis 1960, en raison notamment de leur aptitude à séparer de manière très efficace les neutrons thermiques et/ou froids, des neutrons rapides et des rayons 7- , autres rayonnements qui sont des sources de bruit. Ceci est important dans le cadre d'expériences d'exploration neutronique ; c'est même essentiel dans certaines applications thérapeuiques. En effet, une installation thérapeutique efficace, pour la thérapie dite du bore captif par exemple, doit être en pratique installée à une extrémité d'un guide à neutrons.Parmi d'autres avantages, les guides à neutrons permettent une bonne collimation des faisceaux neutroniques ; lorsqu'ils sont légèrement courbés ils permettent en outre un filtrage en fréquence. Ces guides à neutrons sont constitués par des conduits sous vide, le plus souvent de section rectangulaire (parfois cylindrique), qui sont délimités par des pièces de verre poli (parfois appelées règles ou dalles) revetues (sur leur face bordant ledit conduit) par une fine couche de nickel adaptée à "réfléchir" un faisceau de neutrons ayant un angle d'incidence inférieur à un seuil d'incidence dépendant du matériau utilisé. En fait il a été observé que ce seuil est maximum pour l'isotope 58 Ni du nickel, ce qui correspond à un angle solide maximum dans lequel un faisceau peut être admis à l'entrée du guide, d'où un flux maximum de neutrons propagés. L'isotope 58 Ni permet un gain de flux propagé de l'ordre de 40 S par rapport au nickel naturel, ce qui explique que l'on cherche en pratique à revêtir avec cet isotope les parois d'un guide à neutrons. La nature contient cependant cet isotope en très faible quantité ; il s'en produit à peine quelques dizaines de grammes par an, ce qui explique son prix élevé (plus de 3 FF par milligramme actuellement). On comprend aisément qu'il ne faut pas en gaucher. Or les couches de nickel formant les parois des tubes à neutrons sont actuellement obtenues par évaporation sous vide dans des conditions aboutissant à un piètre rendement (en pratique inférieur à 0,1 W,c), ce qui conduit à des prix prohibitifs. En outre, compte tenu des températures nécessaires pour évaporer le nickel, qui sont obtenues par effet JOULE, on utilise des creusets en tungstène, or ce métal est attaqué par le nickel en fusion : il en résulte que ces creusets ont une durée de vie très courte, doivent être remplacés souvent, et contribuent à une perte supplémentaire de nickel. Le coût unitaire de ces creusets, ainsi que le temps perdu pour les remplacer augmentent encore plus le coût de fabrication des guides à neutrons. On comprend aisément que le développement de l'utilisation des guides à neutrons est fortement pénalisé par leur coût de fabrication, or leur champ potentiel d'applications ne cesse de s'étendre. L'invention vise à pallier ces inconvénients et à permettre une fabrication plus économique des guides à neutrons. La solution proposée à cet effet par l'invention comporte plusieurs aspects relatifs, d'une part, à des moyens d'échauffement du nickel jusqu'à son évaporation admettant une longue durée de vie et, d'autre part, à diverses dispositions permettant une limitation des pertes de métal lors du dépôt par évaporation. I1 est précisé que cette solution se généralise à toute procédure de dépôt de nickel (ou d'un de ses isotopes) ou même d'un autre matériau par évaporation. L'invention propose ainsi une installation de dépôt de nickel par évaporation sous vide du genre comportant, dans une enceinte destinée à être mise sous vide, un dispositif de chauffage d'une masse d'au moins un isotope de nickel à évaporer et une surface utile à recouvrir de nickel disposée en regard de ce dispositif de chauffage, caractérisée en ce que le dispositif de chauffage comporte un ruban essentiellement constitué de tungstène, conformé en une partie médiane en une cuvette sur laquelle est posé un creuset réfractaire destiné à recevoir la masse de nickel à évaporer, et adapté à être connecté en deux zones terminales à un circuit d'alimentation en courant. On appréciera que l'invention permet de conserver les performances du tungstène pour ce qui est de ses caractéristiques d'échauffement par effet JOULE, tout en éliminant tout risque d'attaque par le nickel en fusion. Le fait que le nickel soit mis dans un creuset réfractaire seulement posé sur le ruban de tungstène conformé en cuvette permet de pallier aux conséquences des différences de dilatation entre ce ruban et le creuset. Le creuset est de préférence en alumine. Selon un autre aspect de l'invention, qui peut, le cas échéant, être mis en oeuvre indépendamment du premier, les flancs du creuset dans lequel le métal est mis en fusion sont respectivement prolongés vers le haut en sorte de délimiter l'angle solide d'évaporation de manière à concentrer la majeure partie du flux de métal évaporé sur la surface à recouvrir. Cela peut amener à rompre complètement la symétrie habituelle des creusets actuellement utilisés. On réduit ainsi la quantité de métal évaporée inutilement. I1 est précisé que le nickel liquide a une tendance spontanée à se mettre en goutte en la zone la plus chaude du creuset, c' est-à-dire sensiblement en son milieu. Selon encore un autre aspect de l'invention, qui peut également, le cas échéant, être mis en oeuvre indépendamment des précédents, un écran de récupération est disposé à proximité de la surface à recouvrir en sorte de recueillir la majeure partie du flux de métal évaporé mais dirigé à côté de la surface à recouvrir, cet écran étant de nature à réagir à l'action d'un milieu chimique agressif d'une manière différente que le métal évaporé récupéré. Le matériau constitutif de cet écran et le métal qui s'y est déposé par évaporation peuvent ainsi être séparés ; le métal est ainsi isolé et peut, après un traitement approprié, être recyclé. Dans le cas du nickel, ou de son isotope Ni58, l'invention préconise la mise en oeuvre d'un écran en fibre de graphite que l'on trempe, au terme d'un ou plusieurs cycles d'évaporation, dans de l'acide chlorhydrique de haute pureté ; le nickel se dissout et on le récupère par électrolyse dans des conditions en elles-mêmes connues. Selon une autre variante, l'écran est en aluminium de haute pureté on le dissout dans un bain de soude et on récupère le nickel sous forme solide. Selon encore une autre variante l'écran est en verre ; on le plonge dans un bain d'acide chlorhydrique dans lequel se forme des chlorures de nickel ; on isole ensuite le nickel par électrolyse. L'invention porte également sur ces procédés de récupération de nickel évaporé déposé à côté de la surface utile à recouvrir. Ces divers aspects de l'invention peuvent être mis en oeuvre, isolément ou en combinaison, dans une installation par ailleurs classique de dépôt de métal par évaporation sous vide sur une surface utile de grande dimension par rapport à une surface interceptée par le flux de nickel évaporé, dans laquelle ladite surface utile, sensiblement plane, est entrainée en rotation autour d'un axe perpendiculaire à son plan moyen, et du métal est évaporé à partir d'au moins un creuset disposé en regard de cette surface en une position excentrée vis-a-vis de cet axe. L'invention propose également une autre structure pour une telle installation de dépôt par évaporation selon laquelle la surface utile à recouvrir est conformée en un cylindre adapté à être mis en rotation autour d'un axe horizontal, au moins un creuset adapté à recevoir le métal à évaporer étant sensiblement disposé en un point de cet axe. Une telle disposition a notamment pour avantage de réduire le flux de métal évaporé susceptible d'être déposé en dehors de la surface utile. En outre cette disposition permet de traiter en une fois une grande surface utile, en réduisant ainsi l'importance relative des temps de chargement et de mise sous vide puis de montée en température. Des objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'une installation de dépôt de nickel par évaporation sous vide conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue de détail montrant en perspective un dispositif de chauffage du nickel de l'installation de la figure 1; - la figure 3 est une vue schématique de l'agencement d'éléments de guides à neutrons à recouvrir dans l'installation de la figure 1 - la figure 4 est une vue partielle en coupe axiale d'un autre mode de réalisation d'une installation de dépôt par évaporation conforme à l'invention ; et - la figure 5 en est une vue en coupe axiale selon la ligne V-V. Les figures 1 à 5 concernent deux exemples d'installations selon l'invention adaptées à effectuer un dépôt de 58 Ni sur des éléments (dalles ou réglettes) 1 destinées à délimiter des conduits de guide à neutrons. L'installation 10 de la figure 1 comporte de manière connue un socle 11, dans lequel sont disposés en pratique une unité de pompage et des moyens d'alimentation électrique (non représentés), une cloche à vide 12 définissant une enceinte 13, un dispositif de chauffage 14 adapté à amener à la fusion une petite masse de nickel 2, et une surface utile 15 sur laquelle on cherche à déposer une couche de nickel d'épaisseur aussi régulière que possible (en pratique entre o O lûOû à 1200 A et 1500 A). Un joint d'étanchéité est disposé de façon classique entre le socle et la cloche à vide. La constitution générale de cette installation est connue en soi et la suite de la description se limitera à exposer ce qui est nécessaire à la compréhension de l'invention. On notera que la surface utile 15, est sensiblement plane et est adaptée, grâce à des éléments d'entrainement et de support connus, à tourner dans son plan, autour d'un axe vertical X-X, au-dessus du dispositif de chauffage 14 en sorte de venir en totalité, au cours du temps, en regard d'une source de métal évaporé que constitue la masse de nickel 2 en fusion. L'installation 10 de la figure 1 comporte en fait (à titre d'exemple) deux dispositifs de chauffage 14 et 14' excentrés vis-à-vis de l'axe X-X de manière à permettre un recouvrement par métal aussi uniforme que possible de la surface utile 15 lors de se rotation. En effet, l'épaisseur d'un dépôt de nickel en un point M à la surface utile 15, à une distance r de l'axe, dépend, d'une part, de sa distance D à la source 2 de nickel et, d'autre part, du temps pendant lequel ce point reste "vu" de la source, à cette distance D.On comprend aisément que, la zone centrale de la surface utile restant en permanence visible par la source 2 tandis que chaque point de sa zone périphérique annulaire ne vient que par intermittences en regard de cette source, chacun de ces points doit pouvoir venir plus près de la source que la zone centrale ; l'excentrement de cette source par rapport à l'axe X-X est donc important par rapport au rayon de la zone balayée par la surface utile lors de sa rotation. A titre d'exemple, dans une cloche de 1,5 mètre de diamètre, la distance A d'excentrement de la source (ou des sources) d'évaporation est en pratique comprise entre 450 et 500 mm : la distance D est alors au moins égale, en tout point, à 850 mm. Le dispositif de chauffage 14 est représenté à plus grande échelle à la figure 2, en perspective. Ce dispositif comporte un ruban 16 essentiellement constitué de tungstène et un creuset réfractaire 17 dans lequel une goutte de nickel en fusion est figurée sous la référence 2, en une zone médiane d'échauffement maximum. Le ruban 16 est de forme allongée et comporte deux zones terminales 16A adaptées à être connectées par des fils de liaison 18 à un circuit d'alimentation en courant (non représenté) connu en soi. Ce ruban 16 comporte une portion médiane 16B conformée en cuvette dans laquelle le creuset est simplement posé : il n'y a pas de fixation positive entre ruban et creuset ce qui ovite les conséquences fâcheuses des différences correspondantes du point de vue comportement thermique (dilatation notamment).Le creuset réfractaire est de préférence en alumine. I1 a toutefois été constaté que la liaison par simple contact qui est assurée entre le ruban et le creuset est suffisante pour obtenir un transfert thermique satisfaisant et amener du nickel en fusion en un temps admissible. On remarquera que le ruban est conformé en cuvette en sorte de retenir le creuset aussi bien par son fond que latéralement par ses flancs. Le creuset 17 est ici rectangulaire et la cuvette, définie par des pliures selon des lignes visibles à la figure I, a une forme rectangulaire correspondante. Selon une variante de réalisation, le dispositif de chauffage 14' représenté schématiquement à droite dans la figure 1 comporte un creuset 17' comportant une paroi latérale (formée de quatre flancs sensiblement verticaux) qui se prolonge vers le haut sur une hauteur qui varie le long du bord libre du creuset. On observe ainsi que le flanc droit 17'A est plus haut que le flanc gauche 17'B, des flancs de liaison non représentés présentant par exemple une forme trapézoidale rectangle. Cette dissymétrie dans la géomXtrie du creuset, quelle que soit, d'une manière générale, sa section en coupe horizontale, permet de concentrer la majeure partie du flux de métal évaporé sortant du creuset sur la surface utile à recouvrir. L'angle solide d'émission est schématisé par un angle # à la figure 1. On constate que, du fait de l'augmentation de hauteur du flanc 17'A par rapport au flanc l7'B et aux flancs correspondant du creuset 17, cet angle a est inférieur à l'angle d'émission 6s o défini sur la figure 1 à propos de ce creuset 17. Cet angle > - o comporte un angle tt 1 correspondant à une zone hachurée représentant une portion de flux demétal évaporé non dirigé vers la surface utile 15, et donc inutilisé. Selon un aspect avantageux de l'invention cette portion de flux inutilisée est interceptée par un écran de récupération 19 ici constitué d'une paroi cylindrique, montée sur des supports 20 autour de la surface utile 15 à recouvrir de métal et se prolongeant axialement vers le haut et surtout vers le bas. En variante non représentée, cet écran est fixé de façon amovible à l'intérieur de la cloche à vide 12. Cet écran de récupération est, au moins en une partie exposée au flux dé métal évaporé (sa surface interne tournée vers l'axe), en un matériau adapté à réagir d'une manière différente que dans le cas du nickel à une attaque chimique par un milieu prédéterminé choisi à cet effet. L'invention préconise que cet écran soit en fibres de graphite et que l'on récupère le nickel ddposé par trempage de cet écran (ou de sa portion exposée au flux de nickel) dans un bain d'acide chlorhydrique : le nickel peut ensuite être récupéré, par électrolyse, en un état et avec une pureté autorisant un recyclage. En variante l'écran est en aluminium pur et on le trempe dans de la soude, ou il est en verre et on le trempe dans de l'acide chlorhydrique en sorte de former des chlorures de nickel. Telle que représentée à la figure 1, la surface utile 15 à recouvrir est formée à la partie inférieure d'un support 15A comportant des traverses de section en T renversé formant des portées de retenue sur lesquelles viennent se poser des réglettes 1 (de forme très aplatie dans cet exemple). Un exemple de disposition d'une pluralité de réglettes 1 sur le- support 15A est schématisé à la figure 3. On peut dénombrer 16 réglettes réparties de façon non symétrique dans un support sensiblement carré 15'A et muni de trois points d'attache 15'B. Une fente 21 sépare un groupe de 7 réglettes et un groupe de 9 réglettes et se trouve excentrée vis-à-vis de l'axe X-X matérialisé sur la figure 3 par ltintersection des diagonales du support carré. Pour aboutir à une forme globalement en disque, ces réglettes sont disposées par paires de réglettes mises bout à bout intercalées côte à côte, à la fente 21 près, entre des réglettes isolées 1A et 1B. Des échantillons témoin 22A et 22B sont disposés en au moins deux endroits correspondant à des conditions très différentes de dépôt par évaporation.Ainsi le témoin 22A est au voisinage de l'axe, dans la fente, et le témoin 22B est à la périphérie du groupe de réglettes. L'agencement des réglettes (aussi appelées dalles lorsqu'elles sont très aplaties) dépend bien sûr des dimensions relatives de ces dernière (une longueur généralement de l'ordre de 500 mm et une largeur qui peut varier entre 30 et 250 mm et plus, pour une épaisseur par exemple de l'ordre de 30 itin pour des guides à neutrons classiques). En fonctionnement, dans le cas par exemple de l'installation d'évaporation sous vide dont des dimensions ont été données précédemment, on utilise des creusets de 40 mm x 11 mm x 8 mm (avec une épaiseur de 2mm), sur un ruban de l'ordre de 200 mm x 30 mm (sur une épaisseur de quelques 1/10e de millimètre), dans lesquels ont met quelques 3,5 g de nickel isotopique (58 Ni), lequel se présente sous forme de grains tandis que le nickel naturel est classiquement introduit sous forme de fils. On applique dé façon étanche la cloche à vide 12 sur le socle 11 et on déclenche les moyens de pompage jusqu'à obtenir un vide partiel d'environ 10-5mm Hg.En même temps on conduit une phase de préchauffage avec une vitesse de montée en température aussi uniforme que possible (avec une faible progression dans le temps du courant appliqué aux rubans 16) jusqu'à la fusion de la masse de nickel isotopique, laquelle vient se mettre en goutte au centre du creuset ; cette phase est conduite en pratique sur une durée supérieure à 1 heure. En fait cette phase de préchauffage peut être réduite à quelques minutes dans le cas du nickel naturel. De préférence un volet non représenté est disposé au-dessus du creuset pendant toute cette phase de préchauffage puis est dégagé avant une phase d'évaporation qui dure en pratique de 20 à 50 minutes environ. I1 est avantageux de répartir la masse précitée de nickel en plusieurs creusets ce qui permet de réduire la durée de préchauffage. I1 est généralement plus prudent de prévoir au moins un creuset en réserve adapté à être chauffé en cas de défaillance de l'un des autres creusets. Ces conditions expérimentales de préchauffage régulier, la structure du dispositif de chauffage et la forme indiquée pour le creuset permettent un gain substantiel de rendement (rapport de la masse de nickel isotopique utilement déposé à la masse métal évaporé) puisque celui-ci peut atteindre 10 à 30 S sans même tenir compte du gain de rendement dû à la récupération du nickel déposé sur l'écran (à comparer au rendement de 0,1 S environ actuellement). En fait l'obligation dans laquelle on est d'utiliser des sources 2 de nickel excentrées provient de ce que, du fait des grandes dimensions des pièces sur lesquelles du nickel doit être déposé, il n'est pas possible de les répartir sur une surface utile sphérique centrée sur la source (à moins de mettre en oeuvre des cloches à vide gigantesques). De manière à réduire nettement la proportion du flux de métal évaporé gaspillé sur les parois ou, au mieux, sur un écran de récupération, l'invention préconise une nouvelle géométrie d'installation qui est représentée schématiquement aux figures 4 et 5. Cette installation 30 comporte principalement une enceinte 31 allongée horizontalement, en forme ici de cylindre ayant un axe sensiblement horizontal Y-Y, fermée par deux parois de fond dont l'une est représentée sous la référence 32. Les pièces destinées à recevoir un dépôt de nickel isotopique sont disposées sur un support 33, globalement cylindrique et axé sur l'axe Y-Y. Ce support comporte ici un tambour 34 portant au moins un cylindre 35 de section octogonale (ou polygonale) dans les pans duquel sont fixées les pièces à recouvrir de métal. Un ou plusieurs creusets 36 sont disposés au voisinage de l'axe Y-Y en étant allongé(s) le long de cet axe. Ces creusets sont intégrés à des dispositifs de chauffage, analogues au dispositif 14 de la figure 1 et sont supportés et connectés de façon appropriée (par des moyens non représentés) à un ou plusieurs circuits d'alimentation électrique non représenté(s) en pratique disposés dans un socle 37 soutenant l'enceinte 31. Dans exemple représenté partiellement, on observe deux tambours polygonaux 35 disposés à proximité l'un de l'autre et un creuset est centré vis-à-vis de chacun d'entre eux. Le tambour cylindrique 34 et ses tambours polygonaux sont entrainés en rotation autour de l'axe Y-Y par tout moyen approprié. I1 s'agit par exemple d'un pignon à angle droit 38, entraîné en rotation sur lui-même à partir d'un dispositif d'entraînement non représenté, qui engrène avec une denture 39 ménagée sur un flanc d'une gorge annulaire 40 ménagée sur une circonférence externe du tambour 34. Ce dernier est maintenu centré sur l'axe Y-Y pendant sa rotation par des cylindres de soutien 41 pouvant tourner librement et maintenus en position le long de l'enceinte 31, par des moyens appropriés de tout type connu. Cette enceinte est par exemple de 1 mètre de diamètre environ pour une longueur de 1,5 m environ. Cette installation permet un rendement meilleur que dans le cas de la figure 1, dans un rapport qui peut dépasser 2, grâce à la faible proportion de flux de métal évaporé et non déposé sur les pièces qu'elle laisse subsister. Un écran de récupération peut bien sûr être disposé en bout de cylindre près des parois de fond. Cette installation permet en outre une régularité accrue quant à l'épaisseur des couches de métal déposé, et donc une nouvelle économie car permettant de maintenir l'épaisseur près de la valeur minimale exigée. I1 va de soi que la description qui précède n'a été proposée qu'à titre indicatif non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être proposées par l'homme de l'art sans sortir du cadre de l'invention, notamment par combinaison des divers aspects de cette dernière. REVENDICATIONS 1. Installation de déposition de nickel par évaporation sous vide du genre comportant, dans une enceinte destinée à être mise sous vide, un dispositif de chauffage d'une masse d'au moins un isotope de nickel à évaporer et une surface utile à recouvrir de nickel disposée en regard de ce dispositif de chauffage, caractérisée en ce que le dispositif de chauffage (14, 14', 36) comporte un ruban (16) essentiellement constitué de tungstène, conformé en une partie médiane (16B) en une cuvette sur laquelle est posé un creuset réfractaire (17, 17') destiné à recevoir une masse de nickel (2) à évaporer, et adapté à entre connecté en deux zones terminales (16A) à un circuit d'alimentation en courant. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le creuset réfractaire est en alumine. 3. Installation selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que le creuset comporte une paroi latérale (17'A, 17'B) qui est prolongée vers le haut sur une hauteur variant le long du bord libre du creuset en sorte de-concentrer la majeure partie du flux de métal évaporé sur la surface utile (15, 35) à recouvrir. 4. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'un écran de récupération (19) est disposé dans l'enceinte à proximité de la surface utile à recouvrir en sorte d'intercepter la majeure partie du flux de métal évaporé non intercepté par ladite surface utile. 5. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'écran de récupération, au moins en une partie destinée à intercepter du métal évaporé, est en fibre de graphite. 6. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'écran de récupération, au moins en une partie destinée à intercepter du métal évaporé, est en aluminium de haute pureté. 7. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'écran de récupération, au moins en une partie destinée à intercepter du métal évaporé, est en verre. 8. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que ladite surface utile (15) à recouvrir est sensiblement horizontale et plane et est entraînée en rotation autour d'un axe vertical (X-X) au-dessus d'au moins un creuset (17, 17') contenant du métal à évaporer en une position substantiellement excentrée vis-à-vis dudit axe. 9. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la surface utile (35) à recouvrir est porté par un tambour (34) adapté à être entraîné en rotation autour d'un axe horizontal, au moins un creuset (36) adapté à contenir du métal à évaporer étant sensiblement disposé en un point de cet axe à l'intérieur dudit tambour.