Brevet FR2711836A1 — publié le 19950505

"Traversée étanche de ligne coaxiale hyperfréquence, formant support d'accessoire, pour enceinte de confinement" L'invention se rapporte à une traversée coaxiale hyperfréquence pour enceinte de confinement, du genre comportant, en symétrie circulaire, autour d'un conducteur axial un corps de révolution raccordable à l'enceinte, dans ce corps un alésage axial obturé par un isolateur avec un tronçon médian du conducteur axial traversant l'isolateur auquel il est scellé, un support d'accessoire terminant le conducteur axial étant monté au moins à l'extrémité côté enceinte de ce tronçon médian. Par enceintes de confinement, on entendra des enceintes destinées à isoler de l'ambiance des milieux de composition précise, qu'il s'agisse d'enceintes à vide poussé ou à ultravide, d'enceintes sous hautes pressions, d'enceintes confinant des produits toxiques ou radioactifs, ainsi que des enceintes où le milieu confiné est porté à des températures cryogéniques ou, à l'inverse, des températures atteignant 5000 à 6000C. De nombreux appareillages scientifiques ou industriels mettent en oeuvre de telles enceintes de confinement dans lesquelles il est nécessaire d'injecter ou d'extraire de l'énergie électromagnétique hyperfréquence. On peut citer des klystrons, magnétrons, cavités cryogéniques, accélérateurs de particules, appareillage de traitement de gaz radioactifs, appareillages de recherche sur la fusion nucléaire. Par hyperfréquence, on entendra le spectre qui s'étend de 10 MHZ à quelques Gigahertz. Par ailleurs les différentes contraintes énumérées ci-dessus, capacité de travailler en ultravide (10-5 Pa), à haute température ou à très basse température, ou interdiction de laisser s'échapper des produits toxiques ou radioactifs, ainsi que les performances en hyperfréquence, demandent l'utilisation d'isolants à très faibles pertes diélectriques, homogènes et non poreux, d'inertie chimique élevée, et à très faible tension de vapeur. Par accessoires, on entendra soit des organes adaptés à une interaction d'une onde électromagnétique sur des constituants du milieu confiné, tels qu'antennes, boucles, électrodes d'accélération, soit une ligne de liaison entre la traversée et de tels organes. Les contraintes énoncées ci-dessus réduisent considérablement le choix des isolants ; fréquemment on utilise des céramiques à forte teneur en alumine. Ces céramiques peuvent se métalliser, et la couche de métallisation permet l'accrochage d'une brasure de liaison à des pièces métalliques. La structure de révolution des lignes coaxiales est favorable à l'exécution de traversées étanches où un corps métallique en anneau entoure un isolateur en céramique, celui-ci étant traversé axialement par un tronçon médian de conducteur axial, les liaisons de l'isolateur au corps et au tronçon axial étant rendues étanches par brasage. Toutefois, pour rester étanches, il importe que les brasures travaillent en légère compression. Les coefficients de dilatation du corps et de l'isolateur sont accordés, avec une faible prépondérance du corps par rapport à l'isolateur, pour obtenir, au refroidissement après brasage, le frettage souhaité. Pour l'étanchéité du tronçon médian dans l'isolateur, on peut choisir pour ce tronçon médian un métal (molybdène par exemple) qui présente un coefficient de dilatation voisin de celui de la céramique, mais inférieur, pour obtenir un frettage après brasage. On peut également choisir le tronçon médian pour qu'il soit capable d'accompagner les dilatations et contractions de l'isolateur sans développer des contraintes de traction radiale dans la brasure. Un tel résultat peut être obtenu en exécutant le tronçon médian en un tube à paroi mince, ou éventuellement en le prenant dans un métal relativement mou (cuivre). Mais les céramiques utilisées présentent une permittivité relative notable (9 environ pour l'alumine), tandis que la traversée étanche doit présenter, au passage de l'isolateur en céramique, une impédance caractéristique accordée à celle de la ligne à laquelle elle est connectée. Or l'impédance caractéristique Rc d'une ligne coaxiale dont le diamètre de la gaine est d2 et le diamètre de l'amie est dl, et avec une permittivité relative de l'espace entre àme et gaine E répond à la formule pratique Rc - 138 log d2 TE dl Dans le vide (ou l'air), pour une impédance caractéristique de 50 ohms, le rapport des diamètres est d'environ 2,4. Avec une céramique d'alumine de permittivité 9, ce rapport passe à 12,9. On est donc amené, pour éviter des discontinuités d'impédance caractéristique, génératrices d'ondes stationnaires, à prévoir des variations du rapport des diamètres aux transitions de l'air ou du vide avec la céramique. En fait, pour des raisons pratiques, les variations du rapport des diamètres par rapport à la ligne dans l'air ou le vide se traduiront en première approximation par des variations en sens inverse des diamètres du corps et du conducteur axial. De plus le tronçon médian sera de diamètre constant sur toute la traversée de la céramique. Le diamètre du tronçon médian sera petit, et sa résistance mécanique à la flexion au sortir de la céramique sera faible. Cette résistance mécanique sera encore réduite du fait que, pour des raisons technologiques tenant à l'insertion et au brasage du tronçon axial, celui-ci sera constitué par du tube sans soudure. Comme normalement, dans l'enceinte de confinement, des organes accessoires tels que antennes, boucles, électrodes diverses seront connectés à la sortie de la traversée étanche, le montage à l'extrémité du tronçon axial de support d'accessoire était susceptible d'entraîner une torsion ou une rupture du tronçon, notamment au ras de la sortie de l'extrémité du tronçon hors de l'isolateur céramique. Pour remédier à ces inconvénients de l'état de la technique, l'invention propose une traversée étanche de ligne coaxiale hyperfréquence pour enceinte de confinement, du genre comportant, en symétrie circulaire, autour d'un conducteur axial un corps de révolution en matériau conducteur raccordable à l'enceinte, dans ce corps un alésage axial obturé par un isolateur avec un tronçon médian du conducteur axial traversant l'isolateur auquel il est scellé, un support d'accessoire, terminant le conducteur axial, étant monté au moins à l'extrémité côté enceinte de ce tronçon médian, caractérisée en ce que l'isolateur, oblong, se prolonge, du côté support d'accessoire, en saillie annulaire délimitant une cavité où s'emboîte un embout de support d'accessoire en sorte d'être en continuité électrique avec l'extrémité du tronçon médian. Avec cette structure le tronçon médian de conducteur axial a pour seul rôle la conduction électrique, tandis que le maintien mécanique du support d'accessoire incombe à l'emboîtement dans la saillie annulaire. De préférence, l'isolateur étant en céramique, la cavité dans la saillie présente des surfaces internes entièrement recouvertes d'une métallisation en contact électrique avec l'extrémité correspondante du tronçon médian conducteur. De préférence aussi, les profils de corps et de cavité sont coordonnés en sorte de minimiser les irrégularités d'impédance suivant l'axe sur l'étendue en direction axiale du corps 10 et de l'isolateur 12 jusqu'à une tranche d'extrémité 12d. De préférence également, partant de la tranche d'extrémité, la cavité comporte une section cylindrique prolongée par un alésage tronconique débouchant dans un canal cylindrique où émerge l'extrémité correspondante du tronçon médian. Comme il sera précisé plus loin, cette structure de cavité est favorable à la coordination avec le profil du corps. Il est pratique de braser sur la métallisation de la partie cylindrique de la cavité une douille en métal propre à emboîter l'embout. Notamment cette douille pourra être taraudée intérieurement. En disposition préférée, le corps comporte une jupe constituée d'une feuille tubulaire avec une partie tronconique entre deux parties cylindriques de diamètres inégaux, la partie cylindrique de petit diamètre constituant l'alésage étant fixée sur l'isolateur du côté opposé à l'enceinte, tandis que le profil de corps coordonné à celui de la cavité est défini par les parties tronconique et cylindrique de grand diamètre, cette dernière se reliant à une partie du corps prévue pour le raccordement à l'enceinte. Pour obtenir des étanchéités pour vide très poussé, le corps formant bride de raccordement pourra présenter une portée annulaire du joint avec un jonc formant couteau pour pénétrer dans un joint métallique en couronne. Cette disposition, en soi connue, est favorable à l'obtention de vides très poussés. Des caractéristiques secondaires et les avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 représente une traversée étanche de ligne coaxiale selon l'étant de la technique la figure 2 représente une traversée étanche selon la présente invention. La traversée étanche de l'état de la technique représentée figure 1 comprend un corps 1 dans son ensemble, exécuté en titane TA6V, de révolution autour d'un axe, avec une partie dite côté enceinte, ici à gauche de la figure, formant bride de raccordement à une enceinte qui doit être mise sous vide poussé. La bride comporte une couronne extérieure percée de six trous 8 pour des vis de serrage, et une portée annulaire 7, plane dans son ensemble et bordant un alésage axial 9, pour un joint formé d'une couronne prise dans une feuille d'un métal tendre. Sensiblement à mi-distance des périphéries intérieure et extérieure de la portée 7, celle-ci comporte un jonc 7a taillé en "couteau", avec un angle saillant vif entre deux flancs à pente inégale. Ce couteau, classique en soi, pénètre dans le joint en couronne lors du serrage de la bride et assure une étanchéité excellente. Du côté opposé à l'enceinte, le corps 1 est conformé en couronne extérieure 6 de prise coaxiale femelle, avec intérieurement une entrée tronconique pour accueillir une pièce tronconique d'une fiche coaxiale mâle prolongeant la gaine d'une ligne coaxiale d'impédance caractéristique définie, ici 50 ohms, et extérieurement un filetage pour un bouchon de serrage de la fiche coaxiale mâle. L'alésage axial 9 comporte, partant de la portée 7, une partie cylindrique 9a dans lequel est brasé un isolateur 2 en céramique, puis une partie tronconique 9k pour le raccordement de l'alésage à la fiche coaxiale 6. L'isolateur 2 a sensiblement la forme d'un diaphragme limité par deux cônes de même ouverture, avec la concavité du côté enceinte. Il est constitué d'une céramique à 97 % d'alumine. Dans un passage axial de l'isolateur 2 est brasé un tronçon médian 3 de conducteur dirigé suivant l'axe de cet isolateur 2, et formé d'un tube mince d'acier inoxydable. A l'extrémité côté ligne coaxiale du tronçon 3 est brasée une douille 5 d'âme de fiche coaxiale. Le diamètre de cette douille 5 est avec le rayon de la couronne 6 dans le rapport qui assure une impédance caractéristique de 50 ohms. La douille 5 comporte, du côté de l'isolateur 2, un perçage axial borgne qui coiffe l'extrémité du tronçon médian 3, de façon que le tube qui constitue ce tronçon soit obturé de façon étanche. Du côté enceinte, l'extrémité du tronçon médian 3 porte, brasé, un embout d'accessoire 4, en forme de cylindre terminé par un tronc de cône vers l'isolateur 2. A son extrémité libre, l'embout 4 comporte un filetage intérieur 4a, pour la fixation d'une connexion d'un accessoire hyperfréquence, approprié à l'appareillage. On notera que le filetage intérieur 4a débouche dans un canal transversal 4b, et se prolonge au-delà par un orifice 4c en communication avec l'intérieur du tube constituant le tronçon médian 3. Cette disposition connue évite la formation de cavités quasi fermées remplies d'air, qui gênerait les brasages lors de la fabrication, et par la suite s'évacuerait trop lentement à la mise sous vide. On remarquera que le coefficient de dilatation du titane est très voisin de celui de la céramique, mais supérieur, de sorte que le corps 1 frette l'isolateur 2. Par ailleurs le tronçon médian 3, réalisé en acier inoxydable 304L pour des raisons technologiques, présente un coefficient de dilatation nettement supérieur à celui de l'alumine, est constitué d'un tube à paroi mince, capable d'accompagner la céramique d'isolateur dans ses variations de dimensions thermiques sans engendrer dans la brasure des contraintes radiales en traction excessives. On notera en outre que l'ensemble du conducteur axial, formé de la succession de la douille 5, du tronçon médian 3 et de l'embout d'accessoire forme conjointement avec le corps 1, ainsi qu'avec une tubulure porte-bride T fixée à l'enceinte, représentée ici en traits mixtes, qui fait suite à l'alésage 9a, avec le même diamètre, une ligne coaxiale d'impédance caractéristique constante. Selon le mode de réalisation de l'invention choisi et représenté figure 2, la traversée étanche comporte un corps 10 en trois parties, à savoir une jupe 11 constituée d'une feuille tubulaire en acier inoxydable, intermédiaire entre une bride 10a et une couronne 6 de prise coaxiale, ces bride et couronne présentant les mêmes formes extérieures que les bride et couronne selon la figure 1 pour assurer l'interchangeabilité. On notera toutefois que la bride 10a est en acier inoxydable, tandis que la couronne 6 est en titane TA6V. La jupe 11 comporte trois parties, une partie tronconique lla reliant deux parties cylindriques de diamètre inégal llb et llc, le diamètre de la partie cylindrique Ilb étant supérieur à celui de la partie cylindrique liç, cette dernière s'ajustant sur la surface latérale 12a de l'isolateur 12, du côté opposé à l'enceinte. Sur la partie cylindrique de grand diamètre llk est soudée la bride 10a, tandis que la couronne 6 s'emboîte sur la partie cylindrique de petit diamètre llc, par un alésage dans une bague 6a. L'isolateur 12 en céramique à 97 % d'alumine présente une forme en cylindre oblong qui s'étend, du côté de l'enceinte, en saillie annulaire 12c, jusqu'à une tranche terminale 12d dans le même plan que la portée annulaire 7 de la bride 10a, et se termine, de l'autre côté en tronc de cône 12b dont la grande base est dans le même plan que l'extrémité terminale de la partie cylindrique de petit diamètre llc de la jupe 11, et qui porte dans un tronc de cône complémentaire 19 dans la couronne 6 de prise coaxiale à l'origine de la bague 6a. Coaxialement à l'axe de l'isolateur 12 s'ouvre, dans la tranche d'extrémité l2d, une cavité 16 qui comprend successivement une section cylindrique 16a, un alésage tronconique 16b allant se rétrécissant de la section cylindrique 16a jusqu'à un canal cylindrique 16c dans lequel débouche un tronçon médian 13 en acier inoxydable 304 L qui traverse axialement l'isolateur 12 dans sa partie du côté opposé à l'enceinte, et qui est lié à cet isolateur par brasure. A l'extrémité côté opposé à l'enceinte du tronçon de tube médian 13 est brasée la douille 5 de fiche coaxiale 6. Celle-ci se termine, au contact de la petite base du tronc de cône 12b, par un cône mâle qui porte dans un cône femelle ménagé dans l'isolateur 12. Les parois de la cavité 16 sont entièrement métallisées jusqu'au fond du canal 16c, en sorte d'être en continuité électrique avec le tronçon médian 13, et donc avec la douille 5, et de définir une surface conductrice de révolution autour de l'axe de l'isolateur, qui forme conducteur central de la ligne coaxiale. Dans la section cylindrique 16a est brasée une douille de métal, ici de cuivre, 17 prévue pour le raccordement avec un support d'accessoire 14. Ici la douille 17 est taraudée intérieurement et reçoit par vissage l'embout de support d'accessoire 14, qui vient porter par un tronc de cône dans une entrée complémentaire de la douille 17. Pour le reste, le support d'accessoire 14 représenté ici reprend la structure du support 4 décrite à propos de la figure 1. On rappelle que la traversée étanche selon l'invention est conçue pour présenter simultanément une grande robustesse, et un taux d'ondes stationnaires très bas. Sous l'aspect de la robustesse, on appréciera que le tronçon médian 13 n'est pas sollicité en flexion, le montage du support d'accessoire faisant passer les contraintes par la liaison vissée support 14-douille 17, puis par l'isolateur 12 dans son ensemble, puis la jupe 11 pour arriver à la bride 10a. En soi, la jupe 11 présente une rigidité d'ensemble, associée à une certaine élasticité, notamment radiale, ce qui assure un découplage des contraintes que la bride 10a serait susceptible de transmettre à l'isolateur 12, notamment en raison de dilatations thermiques différentielles. Par ailleurs la partie cylindrique llc de petit diamètre de la jupe 11 en acier inoxydable, est frettée par la bague 6a de la couronne de prise coaxiale 6 en titane, ce qui assure, outre la rigidité du montage, la tenue en étanchéité de la brasure entre la surface latérale 12a de l'isolateur 12 et la face interne de la partie cylindrique de petit diamètre llc de jupe, malgré que les coefficients de dilatation respectifs de la céramique d'isolateur 12 et de l'acier inoxydable de jupe 11 ne soient pas accordés, la frette en titane 6a imposant son coefficient de dilatation. Bien entendu la bague 6a est reliée à la partie cylindrique llc par un cordon de brasure. En outre, l'emboîtement du tronc de cône 12b de l'isolateur 12 dans le tronc de cône femelle 19 de la couronne 6 de prise coaxiale contribue à la robustesse du montage de cette prise coaxiale. Sous l'aspect du faible taux d'ondes stationnaires, on remarquera qu'en soi l'isolateur 12, allongé pour la robustesse du montage, et présentant une permittivité élevée en raison de sa nature de céramique à 97 % d'alumine (choisie pour ses faibles pertes diélectriques, sa robustesse mécanique, et son aptitude à supporter des températures extrêmes) était défavorable à la continuité d'impédance itérative. Il a fallu déterminer les profils coordonnés des surfaces conductrices en regard qui constituent les conducteurs intérieur et extérieur de la ligne coaxiale. Or s'il est facile de calculer l'impédance d'une ligne longue connaissant les rayons des conducteurs intérieur et extérieur et la permittivité du milieu diélectrique qui les sépare, et guère plus difficile dans le cas où le milieu diélectrique se compose de plusieurs couches de milieux de permittivités différentes (air et céramique par exemple), il n'en est plus de même pour des discontinuités axiales de milieux diélectriques et des rapports de rayons de conducteurs intérieur et extérieur, car les surfaces de champ entre conducteurs ne sont pas planes et perpendiculaires à l'axe. Toutefois le Demandeur a découvert que, pour des profils coniques à coordonner des conducteurs intérieur et extérieur, les formules déterminées pour des profils cylindriques longs pouvaient être transposées en substituant aux rayons les tangentes des pentes des directrices des cônes, et en tenant compte des profils des surfaces de champ. Pour la traversée étanche décrite ici, le rapport des rayons du tronçon médian 13 et de la surface latérale 12a de l'isolateur 12 brasée à la partie cylindrique de petit diamètre llc de la jupe 11 est déterminé pour être de 50 ohms compte tenu de la permittivité de la céramique de l'isolateur 12. Mais la pente du tronc de cône 19 de la couronne 6 de prise coaxiale est déterminée pour éviter de fortes discontinuités d'impédance entre le couple alésage de couronne 6 associée à la douille 5 et le couple surface périphérique brasée 12a et tronçon conducteur médian 13, ou canal cylindrique 16c (métallisé). En outre, les demi-angles au sommet du tronc de cône de jupe lla, et de l'alésage tronconique 16b (métallisé) sont déterminés, compte tenu que la surface périphérique 12c de l'isolateur 12 qui fait interface entre céramique et air est cylindrique et prolonge la surface périphérique 12a, pour maintenir l'impédance caractéristique. Enfin la paroi de la section cylindrique 16a de cavité 16 constitue, avec la partie cylindrique de grand diamètre llb de la jupe et l'alésage de bride 10a, un tronçon de ligne cylindrique, avec un diélectrique constitué de céramique (isolateur 12) et d'un anneau d'air (ou de vide) entourant l'isolateur. Au-delà de la traversée étanche, les profils du support d'accessoire 14, et de la bride d'enceinte T qui se raccorde sur la bride 10a, sont déterminés en fonction des impératifs électriques de l'accessoire. Bien entendu, les calculs de profils coordonnés sont vérifiés expérimentalement, et éventuellement corrigés pour améliorer les résultats, notamment aux discontinuités du second ordre, telles que les discontinuités entre les sections cylindriques et les sections à profil conique. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits, mais en embrasse toutes les variantes d'exécution, dans le cadre des revendications. Notamment, la traversée étanche pourrait ne pas être reliée à une ligne coaxiale longue, mais permettre le couplage, à travers une impédance déterminée, de deux appareillages dont au moins l'un est sous vide poussé. En ce cas, des embouts supports d'accessoires pourraient être maintenus par emboftement dans une cavité axiale ménagée dans l'isolateur de part et d'autre de celui-ci. De plus, le corps 10, au lieu d'être façonné en bride, pourrait comporter un prolongement métallique tubulaire apte à être soudé directement sur la paroi de l'enceinte. Egalement, l'embout d'accessoire 14, au lieu d'être vissé dans la douille 17, pourrait lui être fixé d'une façon quelconque, et le cas échéant, incorporer cette douille. En outre, à condition de réaliser le tronçon médian en un métal mou tel que le cuivre, le conducteur axial, au lieu d'être formé de trois éléments successifs, douille 5, tronçon médian 13 et embout d'accessoire 14, pourrait être formé de deux éléments seulement, le tronçon médian 13 étant usiné d'une pièce, soit avec l'embout 14, soit avec la douille 5. Enfin l'embout d'accessoire 14, au lieu d'être prévu pour se raccorder à l'accessoire par filetage, pourrait lui être raccordé de toute façon appropriée, et même faire partie intégrante de cet accessoire. REVENDICATIONS 1. Traversée étanche de ligne coaxiale hyperfréquence pour enceinte de confinement, du genre comportant, en symétrie circulaire, autour d'un conducteur axial (3, 4, 5) un corps de révolution (1) en matériau conducteur raccordable à l'enceinte, dans ce corps un alésage axial (9) obturé par un isolateur (2) avec un tronçon médian (3) du conducteur axial traversant l'isolateur (2) auquel il est scellé, un support d'accessoire (4), terminant le conducteur axial, étant monté au moins à l'extrémité côté enceinte de ce tronçon médian (3), caractérisée en ce que l'isolateur (12), oblong, se prolonge, du côté support d'accessoire en saillie annulaire (12c) délimitant une cavité (16) où s'embofte un embout (14) de support d'accessoire en sorte d'être en continuité électrique avec l'extrémité du tronçon médian (13). 2. Traversée étanche selon la revendication 1, caractérisée en ce que, l'isolateur (12) étant en céramique, la cavité (16) dans le manchon présente des surfaces internes entièrement recouvertes d'une métallisation en contact électrique avec l'extrémité correspondante du tronçon médian (13). 3. Traversée étanche selon la revendication 2, caractérisée en ce que les profils de corps (10) et de cavité (16) sont coordonnés en sorte de minimiser les irrégularités d'impédance suivant l'axe sur les étendues en direction axiale du corps (10) et de l'isolateur (12) jusqu'à une tranche d'extrémité (12d). 4. Traversée étanche selon la revendication 3, caractérisée en ce que, partant de la tranche d'extrémité (12d), la cavité comporte une section cylindrique (16a) prolongée par un alésage tronconique (16k) débouchant dans un canal cylindrique (16c) où émerge l'extrémité correspondante du tronçon médian (13). 5. Traversée étanche selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'une douille en métal (17) propre à emboîter l'embout d'accessoire (14) est brasée sur la métallisation recouvrant la paroi de section cylindrique (16a) de la cavité (16). 6. Traversée étanche selon la revendication 5, caractérisée en ce que la douille de métal (17) est taraudée intérieurement. 7. Traversée étanche selon une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisée en ce que le corps (10) comporte une jupe (11) constituée d'une feuille tubulaire avec une partie tronconique (lla) entre deux parties cylindriques (lob, llc) de diamètres inégaux, la partie cylindrique de petit diamètre (llc) constituant l'alésage étant fixée sur l'isolateur (12) du côté opposé à l'enceinte tandis que le profil de corps coordonné à celui de la cavité (16) est défini par les parties tronconique (lla) et cylindrique de grand diamètre (llb), cette dernière se reliant à une partie de corps (loua) prévue pour le raccordement à l'enceinte. 8. Traversée étanche selon la revendication 7, caractérisée en ce que la partie du corps prévue pour le raccordement à l'enceinte est conformée en bride (10a). 9. Traversée étanche selon la revendication 8, caractérisée en ce que la bride (10a) comporte, côté enceinte, une portée de joint annulaire radiale (7), avec un jonc (7a) formant couteau pour pénétrer dans un joint métallique en couronne. 10. Traversée étanche selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle est, du côté opposé à l'enceinte, conformée en prise coaxiale (6) pour raccordement avec une ligne d'impédance définie.