Brevet FR2661486A1 — publié le 19911031

La présente invention concerne un procédé et un four de chauffage avec lévitation destinés à être utilisés dans un essai de fabrication d'un matériau en micropesanteur, utilisé pour la fabrication de matériaux, tels que les matériaux semi-conducteurs et les matériaux alliés, dans des conditions de vol spatial. La figure 10 est un diagramme synoptique représen- tant la disposition d'un four classique de chauffage avec lévitation de type électrostatique à électrodes annulaires tel que décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 4 521 854 Sur cette figure, la référence 1 désigne des électrodes creuses, concaves vers le bas, disposées l'une en face de l'autre, la référence 2 désigne un échantillon placé entre les électrodes creuses 1, la référence 3 désigne une caméra à dispositifs à couplage par charge CCD destinée à la mesure de la position du centre de gravité de l'échantillon 2, la référence 4 désigne un circuit de commande couplé à la caméra 3, et la référence 5 désigne une alimentation à haute tension couplée aux électrodes 1 et au circuit de commande 4. Le four classique de chauffage avec lévitation de type électrostatique à électrodes annulaires a la disposi- tion précitée et assure la lévitation de l'échantillon par application de forces électrostatiques Une restriction importante est imposée au chauffage de l'échantillon 2 par le dispositif de chauffage à cause de la présence d'effets importants tels que l'absence de convection et la diffusion uniforme en présence de micropesanteur Par exemple, le chauffage par faisceau électronique ou le chauffage par induction provoquent des interférences avec le champ électrostatique, le chauffage par induction ne peut pas être utilisé pour le chauffage de matériaux conducteurs, et le chauffage par laser nécessite un agrandissement de l'appareil et en outre il n'assure le chauffage que d'une partie de la surface de l'échantillon 2 De même, une lampe à halogène ou une lampe au xénon ne peut pas chauffer uniformément l'échantillon 2 et a une durée de vie extrême- ment courte, d'environ cent heures Ainsi, compte tenu des problèmes précités, aucun des dispositifs classiques de chauffage ne convient à un four à lévitation électrosta- tique, si bien qu'un problème est posé par l'absence de dispositif convenable de chauffage capable de donner une distribution uniforme de température à la surface de l'échantillon, avec suppression de la convection de Marangoni et obtention d'une diffusion uniforme. L'invention concerne la résolution des problèmes précités. Dans un mode de réalisation, l'invention assure un chauffage par une image double obtenue par utilisation de deux miroirs elliptiques et de deux sources lumineuses, à température élevée. Selon l'invention, une lampe à plasma disposée à un premier foyer d'un miroir elliptique forme un rayonnement sphérique si bien que la lumière émise est condensée sous forme sphérique sur l'échantillon placé au second foyer et l'échantillon est chauffé. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente une disposition de four de chauffage avec lévitation électrostatique du type à élec- trodes annulaires dans un mode de réalisation de l'in- vention; les figures 2 A et 2 B représentent la disposition relative d'une électrode annulaire et d'un échantillon; la figure 3 est un diagramme synoptique représentant la disposition d'un détecteur de position, d'un circuit de commande et d'une alimentation à haute tension; la figure 4 est un schéma utile pour la description du principe de lévitation d'un échantillon; la figure 5 est une vue en perspective représentant la disposition périphérique d'une lampe à plasma; la figure 6 est un schéma représentant une simula- tion d'une propriété de focalisation par un miroir cylin- drique elliptique; la figure 7 est un graphique représentant les résultats de la mesure de la distribution de température au voisinage d'un second foyer; la figure 8 représente les données d'essais de dissolution par chauffage; la figure 9 est un schéma d'un four de chauffage avec lévitation électrostatique du type à électrodes annulaires dans un mode de réalisation de l'invention; et la figure 10 est un diagramme synoptique représen- tant la disposition d'un four classique de chauffage avec lévitation électrostatique du type à électrodes annulaires. On décrit maintenant, en référence aux dessins, un procédé et un four de chauffage avec lévitation dans des modes de réalisation de l'invention La figure 1 est un diagramme synoptique représentant une disposition d'un mode de réalisation de l'invention dans lequel un échantillon et une alimentation à haute tension sont désignés par les références 2 et 5 et correspondent aux références de l'appareil classique. Sur cette figure, la référence 6 désigne un miroir elliptique qui, à sa face interne, a une surface elliptique réfléchissante qui a un premier et un second foyer, et la référence 7 désigne une lampe à plasma qui est une lampe sphérique placée au premier foyer du miroir elliptique 6, la lampe à plasma 7 étant formée avec une sphère creuse d'un matériau transparent, par exemple de verre, qui entoure divers éléments En outre, la référence 8 désigne un dispositif de support de cette lampe à plasma 7, la référence 9 désigne une plaque de blindage en forme de disque, donnant une protection contre les hautes fréquences et qui est disposée de manière que son bord circonférentiel soit mis au contact de la surface interne de la partie d'extrémité du miroir elliptique 6 du côté du premier foyer, la référence 10 désigne une résonateur creux formé avec la plaque 9 de blindage et le miroir elliptique 6, et la référence 11 désigne un émetteur à haute fréquence destiné à appliquer un courant à haute fréquence au résona- teur creux 10, logeant la lampe 7 à plasma En outre, la référence 12 désigne deux électrodes annulaires qui sont fixées toutes deux à un tube 16 de support d'échantillon et sont destinées à être placées en regard l'une de l'autre, chacune d'elles étant formée par deux organes métalliques transparents ou sous forme de toiles conductrices de forme annulaire (ces organes transparents étant formés d'un mince film métallique obtenu par dépôt d'oxyde d'étain et d'indium -ITO sur du quartz et possédant une excellente conductivité), et la référence 13 désigne un détecteur de position destiné à mesurer la position de l'échantillon 2 par une fenêtre 14 d'observation formée dans le miroir elliptique 6 de manière qu'elle se trouve en face de l'échantillon 2 Par exemple, le détecteur 13 de position peut comporter une caméra CCD et une plaque de silicium En outre, la référence 15 représente un circuit de commande qui est couplé à la fois au détecteur 13 de position et à l'alimentation à haute tension 5. Les figures 2 A et 2 B représentent la disposition relative des électrodes annulaires 12 et de l'échantillon 2, les références 12 a à 12 d désignant deux paires d'élec- trodes annulaires enrobées dans le tube 16 de l'échantillon afin qu'elles soient placées dans la partie centrale du tube 16 en face de l'échantillon 2 et les unes des autres. L'échantillon 2 est maintenu par lévitation entre les deux paires d'électrodes annulaires 12 a à 12 d et le tube d'échantillon 16 a une configuration cylindrique creuse, et il est transparent et est formé de quartz, de saphir ou analogue. La figure 3 est un diagramme synoptique représentant la disposition du détecteur 13 de position et du circuit 15 de commande Cette description est réalisée à titre illus- tratif dans le cas de l'utilisation d'un détecteur sensible à la position Des deux côtés du détecteur 13 de position, analogue à une plaque, qui est un carré de 5 cm de côté et qui a une structure à jonction pn formée de silicium semi- conducteur, un signal de position de direction X et de direction Y est couplé à un circuit 15 a de détection de position Ce signal de position est transmis par un circuit b d'interface d'entrée-sortie à un ordinateur 15 c. Dans le four à lévitation électrostatique du type à électrodes annulaires ainsi réalisé, une haute tension provenant de l'alimentation 5 est appliquée aux électrodes annulaires 12 afin que l'échantillon 2 soit maintenu, par lévitation en présence d'un champ électrostatique Ainsi, comme l'indique la figure 4, les électrodes annulaires transparentes 12 créent un champ électrique analogue à un creux et dans lequel l'échantillon 2 est supporté par la force de Coulomb, et la position de l'échantillon 2 peut être réglée de manière stable par ajustement de l'intensité du champ électrique Grâce à la lévitation de l'échantillon 2, le détecteur 13 de position détecte la position de l'échantillon 2 et un signal analogique correspondant au résultat de la détection est transmis au circuit 15 de commande qui exécute lui-même le calcul de commande donnant la quantité réglée qui doit être transmise à l'alimentation à haute tension 5, si bien que le réglage de position est réalisé à grande vitesse. Ensuite, comme représenté sur la figure 5, en fonction des ondes à haute fréquence introduites par une fenêtre 18 de couplage dans la lampe 7 à plasma, la réso- nance se produit dans le résonateur creux 10 si bien que de l'énergie électromagnétique est appliquée à un gaz contenu dans la lampe à plasma 7 et assure l'excitation de cette lampe à plasma 7 La lumière provenant de la lampe 7, avec une configuration sphérique, est condensée sur le miroir elliptique 6 et est focalisée sous forme sphérique du côté du second foyer La figure 6 représente cette disposition. Bien que la figure 6 représente une simulation obtenue par ordinateur de l'état de focalisation, on note sur la figure 6 que la lumière est focalisée pratiquement avec une configuration sphérique du côté du second foyer L'échan- tillon 2 qui doit être chauffé est placé à l'intérieur A ce moment, la surface de l'échantillon 2 est éclairée uniformément par la lumière si bien que la température de sa surface peut être uniforme Il est en outre possible de chauffer l'échantillon 2 avec de la lumière ayant une longueur d'onde correspondant à la caractéristique optique de l'échantillon 2 Par exemple, la dissolution d'un verre pour la fabrication d'un câble à fibres, qui a été impos- sible avec le rayonnement infrarouge, peut être réalisée avec un rayonnement ultraviolet Ceci permet l'obtention d'un verre pur sans utilisation d'un récipient et permet en outre la fabrication de fibres à pertes extrêmement réduites. La figure 7 représente les résultats d'essai indi- quant l'état de chauffage uniforme Par rapport à une lampe classique à halogène, la distribution de la lumière au second foyer est largement répartie et la pente de la température est faible La figure 8 représente les résul- tats d'essais indiquant l'état d'un échantillon qui est une bille d'aluminium de 5 mm de diamètre qui est chauffée afin qu'elle soit dissoute dans des conditions d'application d'énergie électrique à haute fréquence d'environ 300 W à la lampe à plasma, la longueur d'onde de la lumière étant de 0,76 pm, dans le proche infrarouge La dissolution de l'échantillon est indiquée par le minimum de température obtenu un peu après deux minutes Dans cet essai, on note que l'échantillon peut être chauffé et peut être dissous avec un rendement de chauffage analogue à celui qui est obtenu avec une lampe classique. Selon l'invention, bien qu'on ait décrit l'utilisa- tion d'un miroir elliptique simple 6, on peut aussi uti- liser, comme représenté sur la figure 9, un second miroir elliptique 17 disposé afin que son second foyer soit commun, en direction longitudinale, au second foyer du premier miroir elliptique 6 et, en outre, une lampe à plasma 7, un organe 8 de support et une plaque 9 de blin- dage contre les hautes fréquences sont fixés à une partie d'extrémité du second miroir elliptique 17 La totalité de la surface de l'échantillon 2 est éclairée uniformément et de façon puissante par la lumière émise par les deux lampes à plasma 7, si bien qu'il est possible d'obtenir un effet accru étant donné ce chauffage encore plus uniforme à température plus élevée. Comme décrit précédemment, selon l'invention, comme le chauffage de l'échantillon peut être réalisé uniformé- ment pendant que l'échantillon est supporté par lévitation, la perturbation possible peut être réduite au minimum dans les conditions de micropesanteur, si bien que le traitement du matériau peut être réalisé efficacement Ceci est très important dans un essai en micropesanteur En outre, l'opération de chauffage peut être réalisée avec de la lumière, par exemple ultraviolette, ayant une longueur d'onde déterminée, si bien qu'il est possible de traiter un matériau sans utiliser de récipient, ceci ayant été impos- sible jusqu'à présent, l'opération permettant par exemple la fabrication d'une fibre de verre, d'un matériau supra- conducteur à partir d'une solution fondue, d'un alliage sous forme d'une mousse, d'un alliage combiné et d'autres matériaux Les effets précités ont déjà été confirmés expérimentalement et par analyse. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemples préférentiels et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 Procédé de chauffage avec lévitation, caractérisé en ce qu'il comprend la disposition d'un miroir elliptique ( 6) ayant une surface réfléchissante elliptique à sa surface interne et ayant un premier et un second foyer, la disposition d'une lampe sphérique ( 7) à un premier foyer afin que la lumière émise par la lampe sphérique se con- dense au second foyer, et la lévitation d'un échantillon ( 2) au second foyer à l'aide d'un-champ électrique créé par application d'une tension à des électrodes ( 12) qui sont placées en regard, si bien que l'échantillon est chauffé par la lumière condensée au second foyer. 2 Four de chauffage avec lévitation, caractérisé en ce qu'il comprend un miroir elliptique ( 6) dont la surface interne forme une surface réfléchissante elliptique ayant un premier et un second foyer, une lampe ( 7) à plasma placée à un premier foyer du miroir elliptique, un résona- teur creux ( 10) destiné à entourer la lampe à plasma et construit de manière que, à la partie d'extrémité du côté du premier foyer du miroir elliptique, il comporte en combinaison une plaque de blindage contre les hautes fréquences et le miroir elliptique, un émetteur à haute fréquence ( 11) destiné à appliquer un courant à haute fréquence au résonateur creux, un tube ( 16) d'échantillon placé au second foyer du miroir elliptique, deux paires d'électrodes annulaires ( 12) placées à proximité du centre du tube à échantillon afin qu'elles soient en regard mutuellement, chacune des électrodes étant formée par un organe métallique transparent ou une toile métallique conductrice, et une alimentation à haute tension ( 5) couplée aux électrodes annulaires. 3 Four de chauffage avec lévitation, caractérisé en ce qu'il comprend un premier miroir elliptique ( 6) dont la surface interne a une surface réfléchissante elliptique ayant un premier et un second foyer, un second miroir elliptique ( 6) ayant un premier et un second foyer, le second miroir elliptique étant disposé afin que son second foyer soit commun au second foyer du premier miroir ellip- tique, des lampes ( 7) à plasma disposées aux premiers foyers du premier et du second miroir elliptique, des résonateurs creux ( 10) destinés à entourer les lampes à plasma et construits, du côté des parties d'extrémité voisines des premiers foyers du premier et du second miroir elliptique, à partir de plaques de blindage contre les hautes fréquences et du premier et du second miroir ellip- tique, un émetteur ( 11) à haute fréquence destiné à appli- quer un courant à haute fréquence aux résonateurs creux, un tube ( 16) à échantillon placé aux seconds foyers du premier et du second miroir elliptique, deux paires d'électrodes annulaires ( 12) placées à proximité du centre du tube à échantillon afin qu'elles soient en regard, chaque élec- trode étant formée d'un organe métallique transparent ou d'une toile conductrice, et une alimentation à haute tension ( 5) couplée aux électrodes annulaires. 4 Four selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une fenêtre d'observation ( 14) est formée dans le miroir elliptique ( 6) afin qu'elle permette l'observation d'un échantillon ( 2) depuis l'extérieur, l'échantillon occupant une position centrale dans le tube à échantillon ( 16). Four selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une fenêtre d'observation ( 14) est placée dans l'un au moins des premier et second miroirs elliptiques ( 6) afin qu'elle permette l'observation d'un échantillon ( 2) depuis l'extérieur, l'échantillon étant placé en position centrale dans le tube à échantillon ( 16). 6 Four selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un détecteur ( 13) de position et un circuit de commande ( 15), le détecteur de position étant placé de manière qu'il soit en face de la fenêtre d'obser- vation ( 14). 7 Four selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un détecteur ( 13) de position et un circuit de commande ( 15), le détecteur de position étant placé en face de la fenêtre d'observation ( 14).