Brevet FR2665794A1 — publié le 19920214

i PROCEDE DE FABRICATION D'UN ISOLANT ELECTRIQUE A TENSION DE CLAQUAGE ELEVEE SOUS VIDE DESCRIPTION L'invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un isolant électrique à tension de cla- quage élevée sous vide. Des champs électriques très intenses règnent entre les électrodes de nombreux composants électro- niques tels que les tubes Il est normalement néces- saire d'installer des isolants électriques dans ces champs électriques pour soutenir les électrodes mais on constate alors que la tension de claquage entre les électrodes baisse fortement, de cinq sixièmes environ, par rapport à la tension de claquage dans le vide, et ceci quelles que soient les qualités intrinsèques du matériau employé et la forme de l'iso- lant. On se reporte à la figure unique pour l'expo- sition du phénomène qui est actuellement censé expli- quer cette bizarrerie. Deux électrodes 1 et 2 sont des plaquettes disposées face à face et alimentées par un fil, respec- tivement 3 et 4 Une rondelle serrée entre les péri- phéries des deux électrodes 1 et 2 et qui laisse libre un espace central 6 forme un isolant 5 Le phénomène rencontré serait sensiblement le même avec un isolant en forme d'enveloppe entourant les deux électrodes 1 et 2 et percé pour laisser passer les fils 3 et 4. Le vide règne dans l'espace central 6 L'ex- térieur du composant est isolé par un liquide (huile), un solide (résine) ou un gaz (hexafluorure de soufre). Selon la théorie traditionnelle, si un électron proche de l'électrode 1 est arraché de la surface libre 7 de l'isolant 5 devant l'espace central 6 et projeté en direction de l'autre électrode 2, il va déclencher une avalanche d'électrons secondaires en retombant sur la surface libre 7 L'amplification de courant qui en résulte causerait le claquage de l'isolant 5. Cette théorie a eu la faveur des scienti- fiques pendant quelques dizaines d'années et plusieurs solutions ont été proposées pour entraver l'émission des électrons On a ainsi revêtu les surfaces libres 7 de corps à faibles propriétés d'émission, ou plongé l'ensemble du dispositif dans un champ magnétique pour détourner de la surface libre 7 les trajectoires des électrons émis et donc les empêcher de retomber sur elle On a encore eu l'idée d'incliner la surface libre 7 pour la rendre fuyante, obliger les électrons émis à parcourir des trajectoires plus longues avant de retomber, et réduire ainsi le nombre d'étages d'amplification Toutes ces mesures ont cependant été insuffisantes pour améliorer sensiblement la tenue en claquage de l'isolant 5, si bien que cette théorie n'est plus soutenue depuis quelques années. L'invention a pour origine une nouvelle théorie d'explication du phénomène de claquage qui a été imaginée par les inventeurs D'après cette théo- rie, le claquage peut être attribué à la relaxation de l'énergie de polarisation de l'isolant dans le champ électrique, qui provoque une ionisation des défauts du cristal dont est formé l'isolant 5 Les forces électrostatiques provoquent des réarrangements des défauts du cristal si elles sont assez fortes. Au-delà d'un seuil critique, les libérations d'énergie résultantes peuvent favoriser un claquage dans les zones de fort gradient de permittivité Les réarran- gements de défauts impliquent en effet des déplacements de particules près de la surface libre 7, qui compro- mettent la qualité du vide à cet endroit et expliquent que la tension de claquage entre les électrodes 1 et 2 soit proche de sa valeur dans un gaz à forte pression. Le procédé de fabrication conforme à l'inven- tion d'un isolant électrique consiste donc, une fois qu'un corps cristallin a été mis en forme par un usi- nage ou un autre procédé pour obtenir une pièce iso- Lante de forme déterminée, à traiter la pièce de manière à réduire ou éliminer les défauts de cristalli- sation sur les surfaces libres de la pièce à placer dans le vide, au moins sur celles qui seront plongées dans un champ électrique important. Le corps cristallin peut être un monocristal ou un polycristal Parmi les traitements de surface possibles, on peut mentionner le recuit ou le dopage par un élément chimique de substitution à des atomes manquants du réseau cristallin. Le traitement est avantageusement accompagné d'un contrôle de la permittivité des surfaces libres traitées de la pièce par l'intermédiaire de mesures de propriétés électriques, optiques ou mécaniques de ces surfaces On a en effet constaté que la qualité de la tenue en claquage pouvait être corréLée avec de telles propriétés. Considérons que les électrodes I et 2 ont une tension de claquage à vide de 300 k V La tension de claquage obtenue avec un isolant 5 préparé classi- quement est d'environ 50 k V Une tension de claquage de 200 k V a été obtenue avec un isolant 5 en saphir (monocristallin) recuit à 1 000 C Le contrôle a con- sisté en une mesure de réflectance permettant de suivre l'évolution de l'indice de réfraction sur la surface libre 7 Des essais préliminaires ou un modèle mathéma- tique permettent d'obtenir un abaque grâce auquel l'interprétation des mesures est immédiate. Un autre isolant satisfaisant, dont la ten- sion de claquage était de 150 kvolts, a été obtenu avec de L'alumine (polycristalline) qui a été dopée au chrome à environ 1 % en masse (on considère la masse d'alumine dans laquelle Le chrome se diffuse). Le dopage a été simplement réalisé en étalant une pâte d'oxyde de chrome sur la surface libre 7 et en faisant diffuser le chrome par chauffage de 1 000 C à 1 500 C Le contrôLe a consisté en un essai de dureté par micro-indentation qui a permis de mesurer l'évolu- tion du facteur d'intensité de contrainte Klc sous l'effet du dopage. L'invention peut être mise en oeuvre de bien d'autres manières différentes aussi bien en ce qui concerne le choix du matériau que le traitement. On peut envisager d'utiliser également le quartz piézo- électrique réalisé dans des conditions d'usinage qui préservent les propriétés intrinsèques du matériau et ne détruisent en particulier pas le réseau maillé du cristal à la surface On choisit pour cela une vitesse de coupe et une pression de contact d'outil très faibles ainsi qu'une bonne lubrification Un tel matériau monocristallin résiste à des tensions de claquage de 250 k V, très proches de la tension de claquage du vide Ce résultat a de surcroît été obtenu sans aucun "conditionnement", c'est-àdire sans la mise en tension lente préalable qui est norma- lement nécessaire pour que l'isolant puisse atteindre sa valeur théorique de tenue au claquage Cette opéra- tion permet de réduire des défauts localisés, liés à la présence d'impuretés conductrices, qui provoque- raient le claquage immédiat de l'isolant à une valeur très basse s'il était mis sans précaution dans un champ électrique Or certaines applications, notamment dans l'espace, peuvent interdire cette mise en condi- tion. Il est probable que d'autres isolants pré- parés conformément à l'invention présenteront également cette propriété. Les valeurs chiffrées indiquées ont été données à titre d'exemple On retrouve les mêmes pro- portions entre elles à partir d'autres valeurs de tension de claquage sous vide. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication d'un isolant élec- trique ( 5) caractérisé en de qu'il comporte une mise en forme d'un corps cristallin pour obtenir une pièce isolante de forme déterminée, et un traitement de La pièce consistant à réduire ou éliminer les défauts de cristallisation sur des surfaces libres ( 7) de la pièce. 2 Procédé de fabrication d'un isolant élec- trique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps cristallin est un monocristal. 3 Procédé de fabrication d'un isolant élec- trique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le monocristal est du quartz piézoélectrique. 4 Procédé de fabrication d'un isolant élec- trique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le traitement est un recuit. Procédé de fabrication d'un isolant élec- trique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le traitement est un dopage. 6 Procédé de fabrication d'un isolant élec- trique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un contrôle de la permittivité des surfaces libres traitées de la pièce par des mesures d'une propriété optique sur lesdites surfaces. 7 Procédé de fabrication d'un isolant élec- trique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un contrôle de la permittivité des surfaces libres traitées de la pièce par des mesures d'une propriété mécanique sur lesdites surfaces. 8 Procédé de fabrication d'un isolant élec- trique selon la revendication 6, caractérisé en ce que la propriété optique est la réflectance. 9 Procédé de fabrication d'un isolant éLec- trique La revendication 7, caractérisé en ce que La propriété mécanique est La dureté.