Brevet FR2625536A1 — publié le 19890707

-- i - - DISPOSITIF POUR LA FIXATION DE DEUX ELEMENTS A L'AIDE D'UN JOINT INTERCALAIRE ECRASE SOUS FORTE PRESSION. La présente invention concerne un dispositif pour la fixation de deux éléments à l'aide d'un joint intercalaire écrasé sous forte pression. Elle s'applique notamment mais non exclusivement à la fixation d'électrodes et de pièces de fermeture sur des lasers à gaz et en particulier sur des gyromètres à laser ou gyrolasers fonctionnant en tube scellé. D'une manière générale, on sait que les lasers à gaz et les gyrolasers comprennent le plus souvent une enveloppe en matériau isolant contenant du gaz, des éléments optiques et au moins deux électrodes, à savoir: une anode et une cathode, entre lesquelles on peut faire passer un courant électrique pour réaliser une inversion de population dans le gaz contenu dans l'enveloppe. Ils comportent fréquemment des orifices accessoires obturés par des pièces de fermeture. La réalisation et la fixation de ces électrodes et de ces pièces de fermeture sur l'enveloppe isolante posent de nom- breux problèmes, aussi bien pour l'étanchéité que pour les contraintes mécaniques qu'elles apportent à l'enveloppe et donc pour la tenue mécanique, la tenue en température et la tenue dans le temps. 2- Les constructeurs de lasers à gaz et de gyrolasers ont apporté de nombreuses solutions pour réaliser leurs élec- trodes et leurs pièces de fermeture, mais ces solutions pré- sentent toutes des inconvénients. A cet égard, les gyrolasers posent des problèmes plus diffi- ciles à résoudre que ceux rencontrés sur les autres types de lasers à gaz. C'est pourquoi l'exposé et la description de l'invention qui vont suivre se rapporteront principalement aux gyrolasers, bien que les solutions proposées s'appliquent évidemment à tous lasers à gaz et également à toutes liaisons entre plusieurs matériaux demandant de bonnes qualités d'étanchéité et de tenue mécanique ou en température. Les électrodes et les pièces de fermeture des gyrolasers, suivant l'art antérieur, comportent le plus souvent une col- lerette circulaire, fixée sur le matériau qui constitue l'enveloppe desdits gyrolasers, par un joint d'étanchéité rapporté. Le matériau constituant l'enveloppe est générale- ment une céramique partiellement vitrifiée du type "zérodur", et le joint d'étanchéité est généralement en indium ou en alliage d'indium. Il peut aussi être en alumi- nium, ainsi que le décrit ie brevet français No 84 02302 de la Société Quantel. Le joint d'indium peut être écrasé, soit à froid, soit à chaud, ou brasé pour l'opération de fixation sur le bloc optique. Le joint d'aluminium est généralement écrasé ou compressé après un chauffage préalable à une température voisine de celle de son point de fusion. Les électrodes et les pièces de fermeture fixées par des joints à base d'indium présentent l'inconvénient de ne pas supporter de température élevée et limitent, par conséquent, le domaine d'emploi des gyrolasers qui les utilisent. - 3 - L'utilisation de joints à base d'aluminium nécessite des précautions opératoires importantes pour éviter, pendant le chauffage préalable, l'oxydation de la partie du métal de l'électrode qui sera en contact avec le joint d'aluminium. Une telle oxydation nuit à l'étanchéité et à la tenue du joint. Il faut, pour l'éviter, faire l'opération sous vide ou sous atmosphère réductrice, ce qui est très coûteux pour des opérations généralement pratiquées unitairement. Dans ce type d'application, l'invention a pour but de réaliser des électrodes de gyrolaser, cathodes et anodes, ainsi que des pièces de fermeture, qui supportent des fonctionnements en temperature élevée, et peuvent être fixées sur les blocs optiques très rapidement sans nécessiter d'environnement spécifique pendant l'opération de fixation. Toutefois, l'invention ne se limite pas à ce seul type d'application. Elle concerne d'une façon plus générale un dispositif pour la fixation de deux éléments à l'aide d'un joint intercalaire écrasé sous forte pression entre ces deux éléments. Selon l'invention, ce dispositif est plus particulièrement caractérisé en ce que la zone de fixation d'au moins l'un desdits éléments avec ledit joint est préalablement recouverte d'une couche en un matériau de même nature que le joint ou apte à se combiner avec le matériau dudit joint. Des modes de réalisation de l'invention seront décrits ci- après, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est une vue de dessus d'un gyrolaser auquel peut s'appliquer l'invention; La figure 2 est une vue en coupe d'une anode selon l'art antérieur; -4- La figure 3 est une vue en coupe d'une cathode selon l'art antérieur; La figure 4 est une vue en coupe d'une anode selon l'invention, avant fixation sur un bloc optique; La figure 5 est une vue en coupe de l'anode de la figure 4, après fixation sur un bloc optique; La figure 6 est une vue en coupe d'une cathode selon l'invention, avant fixation sur un bloc optique; La figure 7 est une vue en coupe de la cathode de la figure 6, après fixation sur un bloc optique; Les figures 8 et 9 sont des vues en coupe d'un second mode de réalisation de l'anode selon l'invention, avant et après fixation sur un bloc optique; Les figures 10 et 11 sont des vues en coupe d'une variante de réalisation de l'anode selon l'invention, avant et après fixation sur un bloc optique; Les figures 12 et 13 sont des vues en coupe d'une anode selon l'invention réalisant une fonction de "queusot", avant et après fixation; Les figures 14 et 15 sont des vues en coupe d'un second mode de réalisation d'une cathode selon l'invention, avant et après fixation; Les figures 16 et 17 sont des vues en coupe d'un troi- sième mode de réalisation d'une cathode selon l'invention, avant et après fixation; et La figure 18 est une vue en coupe du procédé de chauf- fage pour la fixation des électrodes selon l'invention. - 5- Comme précédemment mentionné, et ainsi que le montre la figure 1, un gyrolaser, dont le principe de fonctionnement est maintenant bien connu, comporte notamment: - un bloc optique 1, réalisé dans un matériau isolant et étanche à l'hélium, généralement une céramique vitrifiée du genre wzérodur", dans lequel sont percés des conduits 2, fermés par des éléments optiques 3 qui forment, avec lesdits conduits 2, un parcours optique, triangulaire dans le cas de la figure 1, mais qui peut prendre toute autre forme, un même bloc optique pouvant comporter plusieurs parcours optiques; - une ou deux cathodes 4 fixées sur le bloc optique 1; - une ou deux anodes 5 également fixées sur le bloc optique 1. Ces cathodes et anodes constituent les électrodes du gyro- laser et sont reliées aux conduits 2 par des conduits de raccordement 6. Le bloc optique 1 est rempli d'un mélange gazeux générale- ment à base d'hélium et de néon. Un courant électrique passant entre les électrodes excite ce mélange gazeux et crée un plasma dans les conduits de raccordement 6 et dans les conduits 2, plasma qui, en amplifiant la lumière, génère l'effet laser. Compte tenu du fonctionnement en tube scellé, on conçoit aisément que la fixation des électrodes sur le bloc optique doive se faire avec une très bonne étanchéité. Ainsi que le montre la figure 2, une anode 7 selon l'art antérieur est généralement constituée d'un disque plan ou collerette 8, en matériau conducteur, dont une face 9 sert à la fixation sur le bloc optique, et dont l'autre face 22 sert à appliquer une pression. Selon ce mode d'exécution ce - 6 - disque comprend une portion cylindrique 10 et une pièce 11, généralement en forme de tige, constituant la partie active de l'électrode, réalisée en matériau conducteur, par exemple en tungstène. Cette anode est fixée sur le bloc optique 1, à un endroit o a été percé un conduit de raccordement 6, par un joint 12 en matériau tel que l'aluminium, compressé à une température proche de celle de la fusion dudit matériau, joint placé l0 entre la face 9 de la collerette 8 et le bloc optique 1. La figure 3 illustre la constitution d'une cathode 13 selon l'art antérieur, réalisée à partir d'une enveloppe 14 en matériau conducteur, de forme généralement cylindro- sphérique et munie d'une collerette 15, dont une face 16 sert à la fixation sur le bloc optique 1, à l'aide également d'un joint 17 compressé à chaud, et dont l'autre face 25 sert à appliquer une pression. Une pièce 18, également cylindro-sphérique, généralement en aluminium, constitue la partie émissive de cette cathode et est fixée, emmanchée à force par exemple, à l'intérieur de l'enveloppe 14. Lors du chauffage précédant la fixation par compression, les surfaces des faces 9 et 16 des collerettes 8 et 15 des anodes 7 et des cathodes 13, cidessus décrites, risquent de s'oxyder, ainsi que cela a été dit plus haut, si l'opération n'est pas réalisée sous vide ou sous atmosphère réductrice. Ainsi que le montre la figure 4, une anode réalisée selon l'invention peut être constituée de la même manière que pré- cédemment, mais la face 9 de la collerette 8 est protégée par une couche 20 d'un matériau inoxydable ou dont l'oxyde, si ce matériau est oxydable, peut se combiner favorablement au matériau constituant le joint, ou sera chassé au moment de la compression. - 7- Ce matériau est préférentiellement de l'aluminium. Dans ce cas, pendant le chauffage précédant la fixation, il apparaî- tra une fine couche d'alumine. Ainsi décrites, les anodes selon l'invention sont fixées sur les blocs optiques en suivant un mode opératoire adéquat, par exemple: Pour la préparation de l'opération, les pièces sont disposées en place comme le montre la figure 4. Un joint 21, par exemple torique et en aluminium, est placé sur le bloc optique 1. L'anode 7, qui a reçu la couche d'aluminium 20, est posée sur le joint 21, et l'ensemble est chauffé à une température proche de celle de la fusion de l'aluminium. Une forte pression est appliquée sur la face extérieure 22 de la collerette 8 et le joint 21, presque mou, est écrasé ainsi que le montre la figure 5. La couche d'aluminium 20, disposée sur la face 9 de la collerette 8, est également presque molle, et la fine couche d'alumine qui la recouvre est facilement déchirée et chassée vers les bords intérieurs 23 et extérieurs 24 de ladite couche d'aluminium 20, sous l'effet de l'écrasement du joint 21. Il ne reste plus, entre le matériau du bloc optique 1 et la collerette 8, que de l'aluminium pur dont l'étanchéité est parfaite. La figure 6 montre une cathode selon l'invention, avant l'opération de thermo-compression. Sa constitution est ana- logue à celle de la cathode de la figure 3, mais une couche 26, préférentiellement d'aluminium, a été déposée préala- blement sur la face 16 de la collerette 15 de ladite cathode. Un joint 27, également en aluminium, est posé sur le bloc optique 1 et la cathode est placée sur le joint. Comme pour l'anode, l'ensemble est chauffé à une température voisine de celle de la fusion de l'aluminium, et une forte pression est appliquée sur la face externe 25 de la colle- rette 15. -- 8 -- Ainsi que le montre la figure 7, le joint 27 est écrasé, comme dans le cas de l'anode, et l'alumine est également chassée vers les bords 28 et 29 de la couche d'aluminium. Pour certaines opérations, nécessitant un grand domaine de température de fonctionnement, il peut être intéressant de remplacer le matériau constituant le disque d'anode ou l'enveloppe de cathode, par le même matériau que celui utilisé pour le bloc optique, généralement du zérodur dans le cas du gyrolaser, et ceci, pour éviter des contraintes importantes dans ledit matériau, contraintes dues aux dif- férences de coefficient de dilatation entre les matériaux des différentes pièces. La figure 8 montre une anode selon l'invention ainsi réalisée. Cette anode comprend: - un substrat 30 usiné dans le même matériau que celui du bloc optique 1, du zérodur par exemple, et dont la forme peut être celle d'un disque, dont une face 31 sert à appliquer la pression pour l'opération de fixation, dont l'autre face 32 et la partie cylindrique extérieure 33 re- cevront des dépôts métalliques; - une couche 34 d'un matériau conducteur, du tungstène par exemple, déposé sur la face 32 et qui constituera la partie anode proprement dite; - une couche 35 de protection, de préférence en aluminium, déposée en couronne sur la couche 34 et débordant sur la paroi cylindrique extérieure 33 du substrat 30; et - un joint 21. Pour l'opération de fixation de cette anode, sur le bloc optique 1, le processus peut être le même que précédemment. La figure 9 montre cette anode fixée sur ledit bloc optique 1 avec son joint écrasé et ne faisant plus qu'un avec le -9- matériau de la couche 35. Ladite couche 35, du fait qu'elle déborde sur la paroi cylindrique du substrat, permet de faire un raccordement électrique entre l'extérieur du bloc optique 1 et la partie émissive 34 de l'anode située devant le conduit 6 dudit bloc optique 1. La figure 10 illustre une variante de réalisation de l'anode de la figure 9. Elle comporte: - un substrat 36 ayant une face de fixation 37 munie d'une excroissance 38, sensiblement au centre de ladite face 37, excroissance dont la forme et la hauteur peuvent être très diverses; - une couche 39 d'un matériau, du tungstène par exemple, qui constituera la partie anode proprement dite; - une couche 35, préférentiellement d'aluminium, déposée en couronne, comme précédemment, sur la couche 39; et - un joint 21. L'excroissance 38 est destinée à éviter que le plasma, créé entre les électrodes, dans le bloc optique, ne touche le matériau du joint 21 et la couche de protection 35. La figure 11 montre cette anode fixée sur le bloc optique 1. Du fait de l'excroissance 38, la couche de tungstène 39 rentre à l'intérieur du conduit 6, et évite ainsi au plasma de toucher le joint 21 et la couche de protection 35. La figure 12 montre une anode selon l'invention réalisant une fonction "queusot". Cette anode comprend: - un tube 40 en matériau conducteur ou isolant, muni près de l'une de ses extrémités 41, d'une collerette 42 ayant un - 10 - pourtour 47 et deux faces 43 et 44, sensiblement planes, destinées à recevoir, l'une, 43, des dépôts métalliques, et l'autre, 44, la pression pour la fixation, ladite extrémité 41 étant arrondie, l'autre extrémité 45 du tube 40 servant au remplissage du gyrolaser et pouvant être fermée, par pincement, par fusion ou par tout autre moyen pour sceller, ou "queusoter", le gyrolaser; - une couche 46 d'un matériau conducteur, du tungstène par exemple, qui constituera la partie active de l'anode et qui recouvrira l'extrémité 41 du tube 40, intérieur et extérieur, et également de préférence la face 43 de la collerette 42 - une couche 48, de préférence en aluminium, déposée en cou- ronne sur la partie de la couche 46 recouvrant la face 43 de la collerette 42 et avantageusement sur le pourtour 47 de ladite collerette 42, surtout si celle-ci est réalisée en matériau isolant; et - un joint 21, préférentiellement en aluminium. La figure 13 montre l'anode de la figure 12 fixée au bloc optique 1, et dont l'extrémité 45 a été fermée par un pince- ment 45'. Comme pour les anodes précédentes, le joint a été écrasé et ne fait plus qu'un avec le matériau de la couche 48. La partie de la couche 46 déposée sur l'extrémité 41 du tube assure la fonction d'anode et la liaison électrique est assurée vers l'extérieur par la couche 48 si la collerette 42 est en matériau isolant. La figure 14 illustre un second mode de réalisation de la cathode selon l'invention, dans lequel celle-ci comprend, comme pour le premier mode, une enveloppe extérieure 14. La surface intérieure de cette enveloppe est recouverte d'une - 11 - couche d'un matériau émissif 50, préférentiellement en alu- minium, qui forme la partie émissive de ladite cathode, dépôt qui s'étend jusqu'à la face 16 de la collerette 15 et qui vient la recouvrir. La figure 15 montre cette cathode fixée sur le bloc optique 1 par un joint 27 écrasé et ne faisant qu'un avec la couche 50. La figure 16 illustre un troisième mode de réalisation d'une cathode selon l'invention. Cette cathode comprend: - une enveloppe 51 en matériau isolant, de préférence en "zérodur', de façon à réduire les contraintes mécaniques et qui comporte elle-même: - une partie intérieure 52, creuse, de forme préférentiel- lement cylindro-sphérique, ouverte vers l'extérieur par la partie cylindrique; - une surface 53, destinée à la fixation de la cathode sur le bloc optique 1, de préférence plane et en forme de cou- ronne, entourant l'ouverture de la partie intérieure 52; - une surface extérieure 54 de préférence cylindrique; et - une surface d'appui 56, destinée à recevoir la pression pour la fixation, surface 56 qui peut être plane ou combi- ner différents types de surfaces tels qu'un plan 57, un cône 58, éventuellement une sphère ou toute autre surface, de sorte que l'encombrement soit minimisé et que les forces de pression soient convenablement transmises à la surface 53; - une couche de matériau conducteur 59, de préférence en aluminium, déposée sur les surfaces 52 et 53 et sur tout - 12 - ou partie de la surface extérieure 54, pour former la partie émissive de la cathode à l'intérieur de l'enveloppe 51 et une partie liaison électrique sur la surface exté- rieure 54 de ladite enveloppe; et - un joint 27 également de préférence en aluminium. La figure 17 représente la cathode de la figure 16 fixée sur le bloc optique 1 avec le joint 27 écrasé entre ledit bloc optique 1 et la couche d'.aluminium 59. La figure 18 illustre le procédé adopté pour effectuer l'opération de fixation des électrodes sur le bloc optique 1 et notamment pour le chauffage préalable des pièces métal- liques. Sur cette figure 18, le procédé est appliqué, à titre d'exemple, à une anode du type de celle présentée par la figure 8. Le chauffage s'effectue par un rayonnement haute fréquence créé par un bobinage 60 placé autour de l'outil de pression de l'électrode à fixer, de sorte que le champ haute fréquence chauffe l'outil de pression qui entoure les élec- trodes. Le réglage du courant haute fréquence, de la position du bobinage 60 par rapport au bloc optique 1 et de la longueur dudit bobinage 60, permet d'optimiser le temps de chauffage et la répartition des températures entre les pièces. Une pièce 61 vient appliquer la pression sur l'électrode pour écraser le joint. On conçoit aisément, sans qu'il soit besoin de le représen- ter, qu'il est extrêmement simple de réaliser des pièces de fermeture selon l'invention, en utilisant un substrat tel que ceux des anodes de la figure 8, et en lui appliquant une - 13 - couche préférentiellement en aluminium avant de le fixer sur le bloc optique à l'aide d'un joint, lui aussi préférentiel- lement en aluminium. - 14 - Revendications 1. Dispositif pour la fixation de deux éléments à l'aide d'un joint intercalaire écrasé sous forte pression entre ces deux éléments, caractérisé en ce que la zone de fixation (9) d'au moins l'un desdits éléments (7, 13) avec ledit joint (21) est préalablement recouverte d'une couche (20) en un matériau de même nature que celui du joint (21). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fixation des deux éléments par écrasement du joint intercalaire (21) est effectuée à chaud. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'échauffement est produit par un rayonnement à haute fréquence. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le susdit joint (21) et la susdite couche (20) sont en aluminium. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la susdite couche (20) est en un maté- riau apte à se combiner avec le matériau dudit joint. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la susdite couche (20) est réalisée en un matériau inoxydable. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'un desdits éléments (1) est réalisé en un matériau non conducteur et en ce que l'autre élément (7, 13) assure une traversée électrique dans ce matériau non conducteur. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, - 15 - caractérisé en ce que l'un des susdits éléments consiste en le bloc optique (1) d'un gyromètre à laser et l'autre élément consiste en une électrode (7,13). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la susdite électrode consiste en une anode (7) comprenant un substrat présentant une face de fixation (9, 32, 37), ce substrat étant réalisé en un matériau à coefficient de dilatation voisin de celui du susdit bloc optique. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit substrat présente la forme d'un disque cylindrique (30) éventuellement muni d'une excrois- sance (38) formée sur ladite face de fixation (37). 11. Dispositif selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que la susdite face de fixation (32, 37) est recouverte d'une couche primaire (34, 39) réalisée en un matériau conducteur et sur laquelle est déposée en couronne une couche de protection (35) débordant sur la surface cylindrique du substrat (30, 36). 12. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la susdite anode comprend: - un tube (40), muni, près de l'une de ses extrémités (41) d'une collerette (42) ayant un pourtour (47) et deux faces opposées (43, 44); - une couche primaire (46) réalisée en un matériau conduc- teur recouvrant l'extrémité (41) du tube (40) et, de préfé- rence, la face (43) de la collerette (42), et -une couche de protection (48) déposée en couronne sur la face (43) de la collerette (42) et sur son pourtour (47). 13. Dispositif selon l'une des revendications 11 et 12, caractérisé en ce que la susdite couche primaire (34, 39) est réalisée en tungstène et la couche de protection (35) est réalisée en aluminium. - 16 - 14. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la susdite électrode consiste en une cathode. s 15. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la susdite électrode consiste en une cathode comprenant: - une enveloppe creuse (14); - une collerette (15) solidaire de ladite enveloppe (14) et dont une face 16 constitue la face de fixation; - une couche de matériau émissif (50), déposée à l'intérieur de l'enveloppe et débordant sur ladite face de fixation (16), et - une couche de protection, déposée sur la couche (50) et recouvrant au moins partiellement la face de fixation (16). 16. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la susdite électrode consiste en une cathode comprenant: - un corps creux (51), en un matériau isolant dont le coef- ficient de dilatation est sensiblement identique à celui de la pièce sur laquelle il est fixé, ce corps présentant d'un côté une ouverture bordée par une face de fixation (53); - une couche de matériau émissif (59), déposée à l'intérieur de l'enveloppe et débordant sur ladite face de fixation (53) et - une couche de protection déposée sur la couche de matériau émissif (59) et recouvrant au moins partiellement la face de fixation (53). 17. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que le matériau formant ledit corps est du zérodur". 18. Dispositif selon l'une des revendication 15 à 17, caractérisé en ce que la couche en matériau émissif (50, 59) est en aluminium. - 17 - 19. Dispositif selon l'une des revendications 15 à 18, caractérisé en ce que la couche de protection est en aluminium. 20. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'un des susdits éléments consiste en le bloc optique (1) d'un gyromètre laser, tandis que l'autre élément consiste en une pièce de fermeture.