Brevet FR2605455A1 — publié le 19880422

M.ONOCFISIAL AVEC ELEMENTS CHAUFFANIS, NOTAMMXET CATHODE D'ERISSION THERYO-IONIQUE; PROCEDE D'ANCRAGE D'UN TEL ELEXENT CHAUFFAE? DANS UN MONOCRISTAL, ET UTILISATION DE CELUI-CI. L'invention concerne les monocristaux munis d'au moins un dispositif pour ancrer des élements chauffants d'un chauffage indirect par résistance, ces monocristaux constituant notamment des cathodes d'émission thermo- ionique pour des applications d'optique électronique et étant de préférence constitués par un borure ou un borure mixte d'un élément de la série des terres rares. L'invention concerne en outre un procéde pour ancrer dans un monocrista: u. élément chauffant d'un chauffage indirect par résistance, et concerne l'utilisation de tels monocristaux. Le chauffage de monocristaux, selon le principe du chauffage indire:t par resistance, est utilisé dans les domaines d'application les plus divers. La réalisation d'un ancrage durable, ne demandant aucun entretien, des éléments chauffants dans le corps monocristallin, présente toujours de grandes difficultés. Pour des applications d'optique électronique, on utilise par exemple des monocristaux d'hexabcrure de lanthane (LaE6), ou d'autres borures, pour constituer des cathodes d'émissionr. Ils sont habituellement chauffes, par un chauffage indirect par résistance, constituant en même temps une amenée de courant, à une température de fonctionnemen- comprise entre 1500' C et 1600O C. Dans ce domaine, l'érosion de la substance du cristal par vaporisation cède le pas, en importance, à l'oxydation par le gaz résiduel contenant de l'oxygène, suivie de la vaporisation de l'oxyde de bore et de l'oxyde de lanthane. Il en résulte que, même dans un vide très poussé de 1 x 10-5 pascal, les vitesses d'érosion par oxydation sont du même ordre de grandeur que les vitesses d'érosion par vaporisation du LaB6. De cette vaporisation liée à l'oxydation, il résulte que, dans toutes les montures ou fixations proposées jusqu'à présent, les cathodes en hexaborure se désagrègent plus ou moins rapidement au cours du temps, par fissuration, si le vide n'est pas meilleur que 10-5 pascal. Dès qu'un interstice se forme entre la cathode et son attache, la position de la cathode et de son foyer change. La transmission de chaleur s'effectue alors en partie par rayonnement et en partie par conduction, et devient instable. Si la cathode est incluse dans le trajet du courant de chauffage, la résistance de passage varie aussi. Ces deux phénomènes conduisent à des variations de la température et à des fluctuations correspondantes de l'émission. Il est également impossible d'éviter une fissuration dans le cas d'une monture ou fixation dans laquelle la cathode en LaB 6est serrée entre deux Joues en graphite pyrolytique, dont le serrage est fourni par une force de ressort, et par lesquelles s'effectuent l'amenéc de courant et le chauffage. Cette fissuration conduit à une variation continue, souvent même subite, de la résistance dc passage. Cette forme de réalisation est en outre très compliquée et est notablement plus encombrante qu'une cathode en forme d'épingle & cheveux. Une autre solution est dévoilée dans la demande de brevet allemand publiée DE-OS 32 03 917 Ai, selon laquelle la fissuration ou formation d'interstice entre une cathode en LaB6 et son attache doit être évitée par le fait que cette dernière, constituée par un étrier en forme de U en métal à point de fusion élevé, est assemblée par frittage au monocristal de LaB6, exactement adapté, qui est utilisé en tant que cathode. Afin d'éviter une réaction entre la cathode et l'étrier métallique, une mince couche constituée de carbone colloïdal et d'une matière formant barrière contre la réaction, est appliquée sous forme de pâte entre les surfaces qui doivent être assemblées. Comme une telle couche intermédiaire est fragile après le frittage, elle ne doit être exposée à aucune sollicitation mécanique pendant l'utilisation. Cela implique des amenées de courant longues et élastiques. Là encore, on a constaté que les différents coefficients de dilatation de la monture et de la cathode avaient pour conséquence la formation, au cours du temps, d'interstices ou fissures conduisant à une détérioration progressive du transfert thermique entre l'élément chauffant et la cathode, et conduisant finalement au desserrage de la cathode. Des difficultés analogues apparaissent dans d'autres applications de monocristaux chaufifés. L'invention a donc pour but de -réaliser une liaison durable, fiable, ne demandant que peu d'entretien, entre au moins un monocristal sollicite thermiquement et l'élément d'un chauffage indirect par résistance. Cette liaison d'assemblage doit assurer qu'il n'y aura aucune déformation par recristallisation ou modification de la cristallisation, même aux températures de fonctionnement élevées. Enfin, l'invention doit éviter que la différence des coefficients de dilation de l'élément chauffant et de la cathode soit une cause de formation, lors de l'échauffement et du refroidissement, de fissures détériorant le transfert de chaleur. Ce but est atteint avec des monocristaux du genre indiqué au début, qui présentent les caractéristiques suivantes: a' chaque élément chauffant individuel est reçu et noyé dans un évidement du monocristal; et b) le monocristal est durablement lié à l'élément chauffant au moyen d'une masse frittée. L'invention tire parti de ce que, si l'on tient compte de l'attaque que l'oxygène exerce sur le monocristal sollicité thermo- ioniquement et de la vitesse de vaporisation, non négligeable, de la matière de ce monocristal, on ne peut obtenir une liaison mécanique durable et un flux thermique constant entre monocristal et élément chauffant que si l'on parvient à trouver, pour une telle liaison, un matériau adhérant, c'est-à-dire se liant parfaitement, aussi bien au monocristal qu'à l'élément chauffant, et ne subissant pas la même dégradation, par oxydation et vaporisation, que le monocristal. Il s'est alors avéré qu'une solution sensiblement meilleure du problème de l'obtention d'un transfert thermique durable est obtenue si le transfert de chaleur de l'élément chauffant au monocristal s'effectue, non pasr de l'extérieur vers l'intérieur, comme dans la solution connue, mais inversement, c'est-à-dire de l'intérieur vers l'extérieur. Le monocristal n'est donc plus entouré par l'élément chauffant, mais c'est l'élément chauffant qui est entouré par la matière du monocristal. Cela s'obtient, de la manière la plus simple, en aménageant, par encochage, par exemple par entaillage à l'outil abrasif, dans un côté d'une portion cylindrique du cristal, une fente ou encoche relativement mince dont la largeur n'est que légèrement supérieure au diamètre du conducteur chauffant, lequel est emprisonne dans cette fente au moyen d'une masse frittée constituée de composants à point de fusion relativement élevé, laquelle lors du frittage, se lie aussi bien au monocristal qu'au conducteur chauffant. La différence essentielle avec les solutions antérieures, dans lesquelles l'élément chauffant est placé sur le monocristal, ou entoure celui-ci, réside dans le fait que, selon l'invention, le flux thermique part de l'élément chauffant, dans toutes les directions, l'élément chauffant et la masse dans laquelle il est noyé étant entourés par le monocristal, comme s'il y avait une agrafure, de sorte que les contraintes de tension et de compression peuvent être reçues élastiquement et ne provoquent plus de fissuration. Dans les applications d'optique électronique utilisant des cathodes en borure de lanthane (LaBe), on a jusqu'à présent toujours constaté, à intensité de chauffage constante, une diminution progressive de la température de la cathode, résultant de la détérioration du transfert thermique due à cette fissuration. Par contre, avec l'ancrage de l'élément chauffant selon l'invention, la température croit, et cela dans la mesure même o la puissance rayonnée diminue par suite de la diminution de la surface cathodique due à la perte de matière. Aucune détérioration du transfert de chaleur n'a pu être constatée, même après une diminution du diamètre de cathode de 1,0 A 0,8 mm. La solution selon l'invention permet donc d'obtenir des temps de fonctionnement plus longs pour les monocristaux utilisés. Comme matériau de départ pour le dispositif selon l'invention, on peut utiliser des monocristaux de composition chimique appropriée quelconque, correspondant au domaine d'application concret. Par exemple, pour l'utilisation en tant que cathodes thermo-ioniques pour application d'optique électronique, on utilise habituellement des barreaux monocristallins cylindriques en La5, résultant d'une fusion de zone, ayant un axe et un diamètre de 1,0 mm. L'évidement dans lequel l'élément chauffant individuel est placé peut avoir une forme quelconque. Toutefois, des fentes ou encoches à parois parallèles, des segments ou secteurs de cercle ou de cône, ainsi que des trous, se sont avérés particulièrement avantageux du point de vue de la technique de fabrication. La forme des éléments chauffants à ancrer dans le monocristal peut en principe être quelconque. Toutefois, des fils se sont avérés particulièrement avantageux et appropriés, pour des raisons pratiques. Ces fils peuvent avoir avantageusement la forme d'une épingle a cheveux dont l'extrémité en forme de U est ancrée dans le monocristal. Pour des applications particulières, il peut être avantageux d'ancrer dans un monocristal plusieurs éléments chauffants, de la manière prévue par l'invention. Selon l'invention, ces éléments chauffants peuvent éventuellement être utilisés non seulement pour leur fonction de chauffage indirect par résistance, mais aussi, en même temps, comme amenées de courant pour un chauffage direct, par résistance, du monocristal. La matière constitutive de l'élément chauffant dépend des impératifs de chaque application particulière, en tenant compte également des propriétés chimiques, électriques et thermiques. Par exemple, des éléments chauffants en tungstène, tantale ou alliage de tungstène-rhénium contenant plus de 50 % de tungstène, se sont avérés convenir pour l'ancrage dans des monocristaux en hexaborure de lanthane (LaB&). Le tantale et l'alliage tungstene-rhénium présentent l'avantage de rester encore suffisamment ductiles après le frittage, afin de permettre un réglage précis de la cathode. La composition de la masse frittée dépend également des impératifs de l'application individuelle envisagée. Toutefois, il s'est avéré opportun de prévoir un pourcentage d'une substance ayant la même composition chimique que le monocristal, de préférence un pourcentage en volume d'environ 50 %, assurant une liaison durable au monocristal. Par exemple, pour ancrer des éléments chauffants dans des monocristaux d'hexaborure de lanthane (LaB6), des compositions donnant une liaison durable avec le conducteur chauffant contiennent, en plus d'un pourcentage d'environ 50 % en volume de LaB6, ou d'un hexaborure d'un autre élement de la série des terres rares, un ou plusieurs métaux à haut point de fusion (par exemple tungstène, tantale, molybdene, nicbium, rhénium), ou des borures, siliciures ou carbures de ces eléments, assurant une jonction durable au conducteur chauffant. Le procédé de réalisation des monocristaux selon l'invention présente les caractéristiques suivantes: a) l'élément chauffant à noyer est placé, dans la position désirée, O10 dans l'évidement du monocristal; b) la masse à fritter, sous forme de suspension fluide des divers composants, est introduite dans l'évidement du monocristal; c) cette masse à fritter est séchée dans l'air, puis d) est frittée dans le vide, à au moins 2000' K, en utilisant l'élément chauffant. Cette procédure selon l'invention donne une structure poreuse convenant, mieux qu'une structure compacte, pour recevoir élastiquement les contraintes mécaniques survenant éventuellement entre elément chauffant et monocristal lors du chauffage et du refroidissement. Il s'est alors avéré particulièrement avantageux que le diamètre moyen des grains des composants de cette masse frittée soit inférieur à pm au début de la procédure. On décrira maintenant plus en détail une forme de réalisation particulière de l'invention qui en fera mieux comprendre les caractéristiques essentielles et les avantages, étant entendu toutefois que cette forme de réalisation est choisie à titre d'exemple et qu'elle n'est nullement limitative. Sa description est illustrée par les dessins annexés dans lesquels: les figures 1 et 2 représentent respectivement une coupe longitudinale et une vue schématique en élévation d'un monocristal selon l'invention; les figures 3 et 4 représentent respectivement une coupe longitudinale et une vue en élévation d'une forme de réalisation complexe de l'invention; les figures 5 et 6 représentent respectivement une coupe longitudinale et une vue en élevation d'un monocristal oblong selon l'invention; et la figure 7 représente schématiquement une vue en élévation d'un monocristal selon l'invention, avec deux éléments chauffants. La figure 1 représente une coupe le long de l'axe principal d'une cathode pour applications d'optique électronique. La figure 2 représente une vue latérale d'une telle cathode dans laquelle un élément chauffant 1 est mis en place. Cette cathode 2 est en hexaborure de lanthane (LaB6) ayant subi une fusion de zone, doté de l'orientation cristalline désirée. Elle présente une fente 4 qui est formée par encochage ou entaillage à l'outil abrasif et dans laquelle l'élément chauffant 1 est inséré. Ce dernier peut être constitué, par exemple, par un fil de tungstène ayant un diamètre de 0,125 mm, adapté dans la fente 4 dont la largeur intérieure nette est par exemple de 0,15 mn. Four le reste, cette fente est remplie par la masse frittée poreuse 3. Sur les figures 3 et 4, un porte-cristal 5 en forme d'épingle à cheveux est fixé par points & une mince bande de tôle 6 en tungstène, tantale, niobium ou molybdène, laquelle est eile-méme prise par frittage dans la fente 7 de la cathode et transmet la chaleur. Cette solution est envisages lorsqu'il y a besoin d'un support restant ductile méme après recuit et autorisant une orientation ultérieure du cristal, Les figures 5 et 6 représentent une vue en coupe longitudinale et une vue en élévation d'une cathode linéaire pour applications d'optique électronique, dans laquelle l'élément chauffant 9 est inséré dans une rainure longitudinale du monocristal. La figure 7 représente un monocristal oblong 12 doté d'évidements 13, 14 dans lesquels sont insérés deux éléments chauffants 10, 11, afin d'assurer une répartition de température uniforme sur toute la longueur. Eventuellement, ces éléments chauffants , 11 peuvent en mnme temps être utilisés en tant qu'amenées de courant pour un chauffage direct par résistance. EXEMPLE i: Des barreaux monocristallins cylindriques obtenus par fusion de zone, constitués d'hexaborure de lanthane (LaB6), ayant un axe et un diamètre de 1,0 mm ont été coupés à la longueur désirée et, par abrasion, ont été taillés en cône à une extrémité. Par entaillage par abrasion, on a réalisé à l'autre extrémité un évidement en forme de fente de largeur intérieure 0,15 mm et de profondeur 0,6 mm. Dans cet évidement, on a place, au moyen d'un micromanipulateur, comme indiqué sur la figure 1, un fil cintre en forme de U. Ce fil, ayant un diamètre de 0,125 mm, était en un alliage tungstène-rhenium comportant, en poids, plus de 50 % de tungstène. On a ensuite rempli l'évidement avec une suspension comportant, en volume, environ 50 % de borure d'un élément de la série des terres rares, 40 à 42 % de siliciure de molybdène, le reste étant l'un des métaux à poir.t de fusion élevé déjà mentionnés (tungstène, tantale, molybdène, niobium, rhéniumx. Ces trois composants ont été mis en suspension dans une solution de 5 % en poids de nitrocellulose dans l'acide acétique (acide acétique glacial, sans eau). Le diamètre moyen des grains des trois composants était inférieur à 5 pm. On a fait sécher cette suspension pendant deux à trois minutes dans l'air à la température ambiante. Enfin, le monocristal ainsi traité a été chauffé à 2000 K pendant une minute, sous une pression p = 10-3 pascal. Après ce traitement, la masse frittée présentait une structure poreuse capable d'absorber élastiquemernt les contraintes mécaniques produites lors du chauffage et du refroidissement du monocristal. Naturellement, l'invention n'est en rien limitée par les particularités qui ont été spécifiées dans ce qui précède ou par les détails du mode de réalisation particulier choisi pour illustrer l'invention. Toutes sortes de variantes peuvent être apportées à la réalisation particulière qui a été décrite à titre d'exemple et à ses éléments constitutifs sans sortir pour autant du cadre de l'invention. Cette dernière englobe ainsi tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons. REVENDICATIONS 1. Xonocristal muni d'au moins un dispositif pour ancrer des éléments chauffants d'un chauffage indirect par résistance, ce monocristal constituant notamment une cathode d'émission thermo- ionique pour des applications d'optique électronique et étant de préférence constitué par un borure ou un borure mixte d'un élément de la série des terres rares, caractérisé par le fait que a) chaque élément chauffant individuel (1) est reçu et noyé dans un évidement (4) du monocristal (2); et b) le monocristal est durablement lié à l'élément chauffant (1>) au moyen d'une masse frittée (3). 2. Xonocristal selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'évidement (4) possède la forme d'une fente, d'un segment, d'un secteur ou d'un trou. 3. Xonocristal selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'élément chauffant (1) à noyer est en forme d'épingle à cheveux. 4. Xonocristal selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, caractérisé par le fait que l'élément chauffant (12 a noyer contient un ou plusieurs des éléments suivants: tungstène, tantale. 5. Xonocristal selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'élément chauffant (1) à noyer contient un alliage de tungstène et rhénium comportant plus de 50 % de tungstène. 6. Xonocristal selon l'une quelconque des revendications 1 a 5, caractérisé par le fait que la matière de la masse frittée (3) possède la même composition chimique que le monocristal (2). 7. Xonocristal selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la masse frittée contient de l'bexaborure de lanthane ou un hexaborure d'un autre élément de la série des terres rares. 8. Xonocristal selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que, la masse frittée (3) contient un ou plusieurs des éléments suivants: tungstène, tantale, molybdène, niobium, rhénium. ]0 9.)lnocristal seion l'une quelconque des revendications. i 8, caractérisé par le fait que lb masse fritt&a (3) contient un. siliciure. borure ou carbure d'un ou plusieurs des éléments suivants: tungstène, tantale, molybdène, niobium, rhénium. 10. Procédé pour alcrer, dans un monocristal, un elément chauffant d'un chauffage par résistance, caractérise par le fait que a) l'élément chauffUnt (1) & noryer est plach, dans la position désirée, dans l'évidement du monocristal (2); b) la masse à fritter (3), sous forme de suspension fluide des divers composants, est introduite dans l'évidement du monocristal (2); c) cette masse à fr.tter {3) est séchée dans l'air, puis d) est frittée cazns le vide, à au moins 2000' Y. en utiiisant l' emerrt chauffart. 11. Utilisation d'u mnozristai selon l'une cuelcc:.que des revendications 1 a 9, caracterisée par ie fait que plusieurs éléents chauffants (1) sont util:s.s non Geulement pour la fonctioL de chauffage indirect par résistance mais aussi, ea même temps, conmme amenées de courant pour un chauffab-e direct, par résistar.nce, du nonocristal (2).