Brevet FR2883409A1 — publié le 20060922

PROCEDE DE FABRICATION D'UN TOP AVEC EFFET DE CHARGE REDUIT L'invention concerne les tubes hyperfréquences à ondes progressives (TOP) et notamment les supports isolants de l'hélice du tube. La figure la montre une vue partielle d'une structure hyperfréquence d'un TOP. La structure comporte une hélice 10 conductrice, selon un axe de révolution ZZ', maintenue par trois supports isolants 12, 13, 14 en céramique à l'intérieur d'un fourreau 20 métallique en forme de tube circulaire d'axe colinéaire à l'axe ZZ'. La structure comporte des masses polaires 22 au tour du fourreau fournissant un champ magnétique dans l'axe ZZ' pour la focalisation d'un faisceau d'électrons 24 traversant l'hélice 10 le long de son axe ZZ'. De façon connue, le faisceau d'électrons est généré par un canon à électrons du TOP non représenté sur la figure. La figure 1 b montre une vue partielle en coupe de l'hélice 10 du TOP de la figure 1 a selon deux plans P1 et P2 passant par deux supports 12, 13 à 120 degrés au tour de l'axe ZZ'. La figure 1 b montre l'hélice maintenue dans le fourreau 20 par les supports isolants, que l'on désigne aussi par montants d'hélice. Lors du fonctionnement du tube, l'hélice est portée à une haute tension, le fourreau 20 est à un potentiel de référence, par exemple à la masse; l'hélice est isolée du fourreau par les supports 12, 13, 14 en céramique. Dans les TOP de l'état de l'art, le faisceau d'électrons 24 fourni par le canon à électrons n'est pas parfaitement focalisé dans l'axe ZZ' de l'hélice. Des électrons Ed 28 (trajectoires en pointillé) du faisceau s'écartent de cet axe ZZ' percutant avec une forte énergie les supports 12, 13, 14 en céramique. Les impacts des électrons s'écartant du faisceau produisent sur les supports isolants un effet de charge indésirable. Cet effet de charge est dû, du fait de la très grande résistance de conduction de la céramique, à l'apparition des charges électriques 30 piégées en volume sur les supports en céramique, notamment du coté de la surface des supports face à l'hélice dans les zones Zs qui ne sont pas en contact direct avec l'hélice. Les zones Zh des supports en contact direct avec l'hélice ne présentent pas des charges car ces zones sont protégées par l'hélice du bombardement électronique. Les effets de charge engendrent un potentiel de surface sur les supports en céramique contribuant à la défocalisation du faisceau et à une augmentation du flux d'électrons Ed 28 du faisceau traversant l'hélice du TOP. Ce phénomène se traduit notamment par une perte de puissance hyperfréquence du TOP. Dans les TOP de l'état de l'art, on cherche à réduire cet effet de io charge par l'utilisation d'une technologie de compensation par émission secondaire. A cet effet, une couche de matériau à forte émission secondaire est déposée sur la surface des supports par pulvérisation cathodique. En général la couche est en oxyde d'aluminium AI2O3 (alumine), ou en oxyde de magnésium MgO. La charge positive crée par l'émission secondaire lors du bombardement de la couche de matériau à forte émission secondaire par les électrons s'écartant du faisceau, compense, en partie, la charge négative, piégée en volume dans lesdits supports, résultant de ce même bombardement d'électrons. Cependant l'utilisation d'alumine pour réaliser la couche d'émission secondaire est limitée aux TOP fonctionnant avec des tensions inférieures à 10kV. Le MgO pose des problèmes de stabilité sous bombardement électronique. Dans d'autres réalisations de l'état de l'art utilisant la technologie de compensation des effets de charge par émission secondaire, le support d'hélice est en oxyde de béryllium (BeO) massif permettant une tension de fonctionnement du TOP plus élevée mais néanmoins inférieure à 20 kV. Cependant, le BeO comporte l'inconvénient d'être toxique ce qui pose le problème de sa manipulation lors de la fabrication du TOP et de sa récupération en fin de vie du tube, en outre, son usinage est délicat A fin de limiter les effets de charge des TOP de l'état de l'art, l'invention propose un procédé de fabrication d'un tube à ondes progressives (TOP) comportant: - une structure hyperfréquence ayant une hélice conductrice 35 s'enroulant au tour d'un axe ZZ', un fourreau métallique en forme de tube circulaire d'axe de révolution colinéaire à l'axe ZZ', l'hélice étant maintenue mécaniquement à l'intérieur du fourreau par des supports isolants en céramique enserrés entre la paroi cylindrique interne du fourreau et l'hélice; - un canon à électrons fournissant un faisceau d'électrons dans l'axe ZZ' de l'hélice, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes: préparation d'un mélange de poudre de bore et de carbone fritté pour la réalisation d'une cible pour dépôt par pulvérisation cathodique; - dépôt, au moins sur la surface des supports isolants en céramique io face à l'hélice conductrice, d'une couche bore-carbone, d'épaisseur comprise entre 250A et 1500A , par pulvérisation cathodique du mélange de poudre de bore et de carbone fritté ; - dépôt d'une couche mince de protection d'alumine sur toute la surface de la couche bore-carbone déposée sur les supports en céramique; - recuit sous vide des supports céramique recouverts des couches déposées dans les précédentes étapes, la température de recuit étant comprise entre 1000 C et 1120 C. La suite des opérations connues de fabrication du TOP comporte le montage de l'hélice et des supports en céramique recouverts des couches, 20 dans le fourreau métallique du tube. L'épaisseur des différentes couches est exprimée en A (angstrôm soit 1. 10-10mètres). La couche semi-conductrice bore-carbone protégée par la couche d'aluminé déposée selon l'invention sur les surfaces des montants exposés au bombardement d'électrons assure l'écoulement des charges produites par ce bombardement, tout en présentant une résistivité suffisante pour ne pas absorber l'onde hyperfréquence se propageant sur l'hélice Les proportions du mélange du dépôt de bore et de carbone peuvent varier selon les caractéristiques du TOP. Ces proportions sont définies par un rapport B/C entre les atomes de bore B et les atomes de carbone C. Le rapport B/C peut être compris entre 1 et 4 dans la grande majorité des réalisations du traitement des supports. Les proportions du dépôt de bore et de carbone peuvent être aussi définies par une expression BXC telle que x représente le nombre 35 d'atomes de bore pour un atome de carbone. Un principal objectif du procédé de fabrication selon l'invention est de réduire le potentiel de surface des supports de l'hélice et ainsi de pouvoir augmenter le potentiel de fonctionnement du TOP. D'autres objectifs du procédé de fabrication sont de: - simplifier et diminuer le coût de fabrication du tube; - diminuer les pertes hyperfréquences du tube et ainsi augmenter son rendement. L'invention sera mieux comprise par des descriptions détaillées du procédé de fabrication et ses variantes, en référence aux dessins indexés, 1 o dans lesquels: - la figure 1 a, déjà décrite, montre une structure hyperfréquence d'un TOP; - la figure 1 b, déjà décrite, montre une vue partielle en coupe de l'hélice du TOP de la figure la; - la figure 2a montre un support d'hélice, selon l'invention, comportant un alignement de plusieurs tronçons de support; - la figure 2b montre une section S d'un tronçon Tn de la figure 2a; - la figure 3 montre des courbes des potentiels de surface Ps des 20 supports en fonction de l'énergie du faisceau d'électrons Ef. Le procédé de fabrication du TOP selon l'invention consiste notamment à traiter les supports isolants de l'hélice d'un TOP à fin de diminuer les effets de charge. En pratique, chaque support isolant de l'hélice (ou montant 25 d'hélice), notamment en céramique, comporte un ou plusieurs tronçons de supports alignés en forme de lamelles. La figure 2a montre un support isolant 50 d'hélice, selon l'invention, comportant un alignement de plusieurs tronçons Ti, T2,...Tn,. ..Ts de supports d'hélice. Le tronçon Ti étant destiné à être disposé dans le 30 fourreau 20 du TOP du côté de l'entrée de l'hélice et, le dernier tronçon Ts du côté de sa sortie hyperfréquence. La figure 2b montre une section S d'un tel tronçon Tn en céramique (selon une vue en coupe A-A de la figure 2a) enserré entre l'hélice 10 et le fourreau 20 métallique du TOP. Le tronçon de section S comporte, une face étroite 54 en contact avec l'hélice 10, une face opposée plus large 56 en contact avec le fourreau 20 métallique et deux côtés 58, 60 reliant les deux faces. Le traitement des tronçons de support isolant en céramique comporte au moins les étapes suivantes: - préparation d'une cible composée d'un mélange fritté de poudre de bore et de poudre de carbone; -dépôt du mélange de poudre de bore et de carbone sur la face étroite 54 et sur les côtés 58, 60 du tronçon par pulvérisation cathodique, formant une couche couche semi-conductrice 62 d'épaisseur 1000 A ; io - dépôt sur la couche couche semi-conductrice 62, d'une couche mince d'alumine 64 de protection, d'une épaisseur de 150 A ; - recuit dans une enceinte, sous un vide de 10-6 mbar, des tronçons de supports comportant la couche semi-conductrice 62 protégée par la couche d'alumine 64 à une température comprise entre 1050 et 1120 C La cible, pour la pulvérisation cathodique, se présente sous la forme d'une pastille du mélange fritté de poudre de bore et de poudre de carbonne. Dans une réalisation du support isolant, les tronçons T1, 20 T2,... Tn,... Ts ont une section S de forme trapézoïdale. Le recuit sous vide permet d'enrichir en carbone la surface de la couche semi-conductrice 62 déposée sur les tronçons du support, rendant cette couche légèrement conductrice. La couche d'alumine 64 protége, lors du processus de traitement des tronçons du support, la couche bore-carbone de son environnement (atmosphère du four de recuit, vide résiduel du TOP). La couche d'alumine empêche que le carbone s'évapore de la couche semiconductrice 62 en se combinant avec l'oxygène environnant. La présence de ce film de protection en alumine de faible épaisseur par rapport à l'épaisseur de la couche semi-conductrice ne dégrade pas les propriétés conductrices du dépôt. Dans la suite des opérations connues, l'hélice 10 est montée dans le fourreau 20 en cuivre du TOP. Trois séries de tronçons alignés 50, traités par le procédé selon l'invention, sont enserrées entre la paroi interne 70 du fourreau et la surface extérieur 72 de l'hélice l'isolant du fourreau avec un écartement angulaire a entre les séries de tronçons, autour de l'axe ZZ', de 120 degrés. Le potentiel de surface des supports d'un TOP fabriqué selon l'invention reste faible, inférieur à 1,5kV La figure 3 montre des courbes des potentiels de surface Ps en kV des supports (en ordonnées) en fonction de l'énergie du faisceau d'électrons Ef en keV (en abscisses) dans l'hélice pour différents types de dépôts sur les supports: - courbe C, dépôt d'une couche de MgO d'une épaisseur de i o 2000A (état de l'art) ; - courbe B, dépôt d'une couche d'alumine d'une épaisseur de 1500A (état de l'art) ; courbe A, supports sans aucun dépôt; - courbe D, dépôt d'une couche borecarbone, selon l'invention, le dépôt étant réalisé à partir d'un mélange de poudre de bore et de carbone fritté (cible) B4C. La couche borecarbone de la courbe D a une épaisseur de 800A protégée par une fine couche d'alumine et recuit à 1090 C. Dans cet exemple de la courbe D, dans la composition finale BXC de la couche semi-conductrice, x prends la valeur de 1,3 (x=1,3), soit B133C. Il faut noter que la composition finale BXC de la couche semi-conductrice déposée sur les supports d'hélice à partir d'un mélange de poudre de bore et de carbone fritté (cible) dans un rapport déterminé B/C, dépend des conditions opératoires du dépôt, par exemple la pression ambiante, la température. La détermination du potentiel de surface des supports isolants d'hélice est effectuée par des méthodes classiques consistant à mesurer le seuil d'énergie du spectre de rayonnement X lorsqu'on bombarde par des électrons la couche déposée sur les supports isolants. Dans le cas des supports traités par le procédé selon l'invention (couche BxC), le seuil d'énergie de 1,5 keV est atteint avec des électrons dont l'énergie incidente est de 22 keV. La résistance de la couche semi-conductrice bore-carbone doit être suffisante pour ne pas absorber l'onde hyperfréquences propageant sur l'hélice et réduire ainsi la puissance du tube. Pour des conditions de recuit données, on est amené à choisir un dépôt de couche bore-carbone de faible épaisseur sur les tronçons de supports de sortie du TOP. La résistivité moyenne de surface est comprise entre 1 et 1000 5 ohms/m à 20 C. La résistance de surface diminue d'une décade environ lorsque la température croît de 300 C. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un tube à ondes progressives (TOP) comportant: - une structure hyperfréquence ayant une hélice (10) conductrice s'enroulant au tour d'un axe ZZ' et un fourreau (20) métallique en forme de tube circulaire d'axe de révolution colinéaire à l'axe ZZ', l'hélice étant maintenue mécaniquement à l'intérieur du fourreau par des supports isolants (12, 13, 14) en céramique enserrés entre la paroi cylindrique interne du fourreau (20) et l'hélice; - un canon à électrons fournissant un faisceau d'électrons (24) dans l'axe ZZ' de l'hélice, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes: - préparation d'un mélange de poudre de bore et de carbone fritté pour la réalisation d'une cible pour dépôt par pulvérisation cathodique; - dépôt, au moins sur la surface des supports isolants en céramique face à l'hélice conductrice, d'une couche bore-carbone (62), d'épaisseur comprise entre 250A et 1500A , par pulvérisation cathodique du mélange de poudre de bore et de carbone fritté ; - dépôt d'une couche mince de protection d'alumine (64) sur toute la surface de la couche bore- carbone déposée sur les supports en céramique; - recuit sous vide des supports céramique recouverts des couches (62, 64) déposées dans les précédentes étapes, la température de recuit étant comprise entre 1000 C et 1120 C. 2. Procédé de fabrication d'un TOP selon la revendication 1, caractérisé en ce que les proportions du mélange en poudre de bore et de carbone sont définies par un rapport B/C entre les atomes de bore B et les atomes de carbone C, le rapport B/C peut être compris entre 1 à 4, ce rapport pouvant être aussi défini par une expression BXC telle que x représente le nombre d'atomes de bore pour un atome de carbone. 3. Procédé de fabrication d'un TOP selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le support isolant d'hélice (50) comporte un alignement de plusieurs tronçons T1, T2,...Tn,...Ts de supports d'hélice, le tronçon de section S comportant, une face étroite (54) en contact avec l'hélice (10), une face opposée plus large (56) en contact avec le fourreau 20 métallique et deux côtés (58, 60) reliant les deux faces. 4. Procédé de fabrication d'un TOP selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes: to -préparation d'une cible composée d'un mélange fritté de poudre de bore et de poudre de carbone; - dépôt du mélange de poudre de bore et de carbone sur la face étroite (54) et sur les côtés (58, 60) du tronçon par pulvérisation cathodique, formant une couche couche semi-conductrice (62) d'épaisseur 1000 A ; - dépôt sur la couche semi-conductrice (62), d'une couche mince d'alumine (64) de protection, d'une épaisseur de 150 A ; -recuit dans une enceinte, sous un vide de 10-6 mbar, des tronçons de supports comportant la couche semi-conductrice (62) protégée par la couche d'alumine (64) à une température comprise entre 1050 et 1120 C. 5. Procédé de fabrication d'un TOP selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dépôt de la couche bore-carbone (62) est réalisé à partir d'un mélange de poudre de bore et de carbone fritté (cible) B4C, la couche bore-carbone (62) ayant une épaisseur de 800A protégée par une fine couche d'alumine et recuit à 1090 C et en ce que dans la composition finale BxC de la couche semi-conductrice (62), x prends la valeur de 1,3 (x=1,3), soit B133C. 6. Procédé de fabrication d'un TOP selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'hélice (10) est montée dans le fourreau (20) en cuivre du TOP, trois séries de tronçons alignés (50), traités par le procédé selon l'invention, étant enserrées entre la paroi interne (70) du fourreau et la surface extérieur (72) de l'hélice l'isolant du fourreau avec un écartement angulaire a entre les séries de tronçons, autour de l'axe ZZ', de 120 degrés.