Brevet FR2625063A1 — publié le 19890623

La présente invention concerne un transducteur ultrasonore qui peut être utilisé en présence de tempéra- tures élevées (pouvant atteindre 600 C environ), à la fois comme émetteur et comme récepteur d'ondes ultrasonores. On a déjà suggéré que le niobiate de lithium pouvait être utile comme matériau piézoélectrique dans un transduc- teur ultrasonore destiné à être utilisé à des températures supérieures à 300 C. Un tel transducteur ultrasonore peut être utilisé par exemple dans un réacteur à neutrons rapides refroidi par du sodium liquide. Cependant, on sait que le niobiate de lithium est chimiquement instable à ces températures auxquelles il perd de l'oxygène, sa conducti- vité augmentant simultanément si bien que son efficacité comme transducteur diminue. Il est souhaitable, dans une utilisation à l'intérieur d'un réacteur nucléaire, que les effets du rayonnement sur un transducteur soient réduits au minimum par défaut d'utilisation de matières plastiques qui ont tendance à être dégradées par le rayonnement gamma et, si le transducteur est exposé à un flux important de neu- trons thermiques, par utilisation de niobiate de lithium ayant une très petite proportion de l'isotope de lithium-6 qui a une section élevée pour la réaction (n, a) lors d'une irradiation par le neutrons thermiques. La présente invention concerne un transducteur ultrasonore comprenant un élément piézoélectrique de nio- biate de lithium, et un matériau de support adjacent à une première face de l'élément, le matériau de support étant constitué d'une poudre contenant un matériau qui donne une pression partielle d'oxygène suffisante à proximité de l'élément pour que la perte d'oxygène par l'élément soit évitée. De préférence, le transducteur comporte une enve- loppe d'acier inoxydable destinée à loger un élément piézo- électrique, et un dispositif destiné à comprimer le maté- riau de support en contact intime avec l'élément-piézoélec- trique. La poudre est formée de préférence de particules de dimensions inférieures à 90 pm environ, et le matériau de support est du niobiate de lithium en poudre. Il est pos- sible d'utiliser à la place de la magnésie, bien qu'elle ne donne que l'oxygène physiquement adsorbé aux surfaces des particules. Le matériau de support a deux effets. Il a une impé- dance acoustique analogue à celle de l'élément si bien qu'il absorbe les signaux ultrasonores provenant de l'élé- ment et, étant donné le grand nombre d'interfaces des par- ticules, ces signaux sont atténués. En conséquence, le temps pendant lequel l'élément oscille après avoir été excité est réduit, de même que la durée de l'impulsion émise par le transducteur. De même, la largeur de bande d'émission et de réception des signaux ultrasonores est accrue. Deuxièmement, ce matériau réduit au minimum les modifications chimiques de l'élément. La poudre constitue une barrière physique entre l'enveloppe et l'élément et réduit au minimum la diffusion des éléments métalliques de l'enveloppe vers l'élément. La mise à disposition d'oxygène en plus de celui qui est disponible à partir du gaz entouré et de l'élément, et le maintien de la pression partielle de l'oxygèhe dans l'enveloppe à une valeur convenable, permet- tent la réduction au minimum des pertes d'oxygène de l'élé- ment piézoélectrique. Il faut noter que, à des températures élevées, l'acier inoxydable a tendance à jouer le rôle d'un matériau de piégeage d'oxygène gazeux éventuellement présent, avec formation d'une couche d'un oxyde. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lequel: la figure 1 est une coupe d'un transducteur ultraso- nore; et la figure 2 représente graphiquement des signaux obtenus avec le transducteur de la figure 1. On se réfère à la figure 1; un transducteur ultra- sonore 10 comporte une enveloppe cylindrique tubulaire 12 d'acier inoxydable ayant des flasques à chaque extrémité, et une plaque circulaire supérieure 14 d'acier inoxydable et une plaque inférieure 16 sont soudées à ces flasques. Un élément piézoélectrique 18 de niobiate de lithium à taille Z ayant une fréquence nominale de 4 MHz est fixé à une mince partie centrale 20 de diaphragme de la plaque inférieure 16 qui a une épaisseur égale à la moitié de la longueur d'onde à la fréquence nominale, par brasage sous vide à l'aide d'une brasure d'eutectique cuivre-argent (qui peut avoir une âme de titane lors d'une utilisation à tem- pérature élevée) chauffée juste au-dessus de sa température de liquidus. L'élément 18 est alors revêtu à sa face arrière (supérieure sur la figure) d'argent par revêtement sous forme d'une pâte de cuisson contenant de l'argent (telle que la pâte A 3600 disponible auprès de Johnson Matthey Chemicals Ltd., Royston, Angleterre), la pâte pou- vant sécher et étant ensuite cuite à 540 C pendant 20 min. Dans une variante, l'élément 18 peut être fixé à la partie de diaphragme par liaison par diffusion, par revêtement à la fois de la face inférieure de l'élément 18 et de la face supérieure de la partie 20 de diaphragme avec de l'argent comme décrit précédemment, puis par montage et cuisson à nouveau à 540 C avec compression mutuelle pen- dant plusieurs heures. La plaque supérieure 14 a une saillie tubulaire 22 qui est disposée à la fois vers l'intérieur et vers l'ex- térieur du boitier 12. Un câble coaxial 22 à isolant formé de magnésie et gainé d'acier inoxydable passe dans la sail- lie 22 et est brasé sur celle-ci. Le câble 24 a un conduc- teur 26 de "Nichrome" qui est en contact électrique avec la face supérieure de l'élément piézoélectrique 18 par l'intermédiaire d'un ressort 28 de "Nimonic" 90 revêtu d'argent, le conducteur 26 et le ressort 28 étant reliés par une bague sertie 30 d'acier inoxydable. Dans l'espace annulaire compris entre la saillie 22 et le boîtier 12, deux plaques de pression 32 d'acier inoxydable sont disposées et sont séparées par quatre res- sorts 34 en forme de disques constitués de "Nimonic" 90. Trois vis régulièrement réparties 36 (une seule est repré- sentée) passant dans des trous taraudés formés dans la plaque supérieure 14 permettent un réglage de la position de la plaque supérieure 32 de pression. L'espace formé sous la plaque inférieure 32 de pression dans le boitier 12 est totalement rempli de poudre de niobiate de lithium 38, classée afin qu'elle passe par un tamis à orifices de pm. La poudre 38 est comprimée après montage par la pression qui est exercée sur elle par la plaque inférieure 32 de montage, à la suite du serrage des trois vis 36. Lorsque le transducteur 10 de la figure 1 doit être utilisé en étant immergé dans un liquide tel que du sodium liquide, un capuchon d'acier inoxydable (non représenté) est avantageusement soudé à l'extrémité externe de la sail- lie 22 et à la périphérie externe de la plaque supérieure 14, le câble 24 sortant par le capuchon. Ceci empêche l'ex- position des vis 36 au liquide. On se réfère à la figure 2 qui représente graphique- ment le signal réfléchi, détecté par le transducteur 10 de la figure 1 lorsqu'il est immergé dans de l'eau, un réflec- teur de laiton de 20 mm de diamètre étant placé à 55 mm de la surface externe de la partie 20 de diaphragme. La courbe A représente le signal détecté par le transducteur 10 comme décrit précédemment, avec la poudre 38 de support de nio- biate de lithium alors que la courbe B représente le signal détecté par un transducteur différent de celui de la figure 1 uniquement en ce qu'aucune poudre de support n'est pré- sente, l'espace compris entre là plaque inférieure 32 et l'élément piézoélectrique 18 étant vide. Il faut noter que l'effet de la poudre 38 de support est de raccourcir la durée efficace des impulsions par réduction de l'amplitude du signal après une impulsion initiale dont la durée est d'environ 10,50 ps. REVENDICATIONS 1. Transducteur ultrasonore (10), du type qui com- prend un élément piézoélectrique (18) de niobiate de lithium, et un matériau de support adjacent à une face de l'élément, caractérisé en ce que le matériau de support est formé d'une poudre (38) d'un matériau qui crée une pression partielle suffisante d'oxygène à proximité de l'élément (18) pour que l'élément (18) ne perde pas d'oxygène. 2. Transducteur selon la revendication 1, comprenant une enveloppe (12, 14, 16) de l'élément piézoélectrique (18), et caractérisé par un dispositif (32, 34, 36) de compression du matériau de support (38) en contact intime avec l'élément piézoélectrique (18). 3. Transducteur selon la revendication 2, caracté- risé en ce que le dispositif de compression comporte un dispositif élastique (34) destiné à appliquer une force au matériau de support (38), et un dispositif (36) de réglage de cette force. 4. Transducteur selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que la poudre (38) est formée de particules de dimensions inférieures à 90 pm environ. 5. Transducteur selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que la poudre (38) du matériau de support est formée de niobiate de lithium.