Brevet FR3053831A1 — publié le 20180112

Ligne de tube à ondes progressives La présente invention concerne les lignes de tube a ondes 5 progressives, d'acronyme TOP en langue française ou d'acronyme TWT en langue anglaise pour "travelling wave tube". On désigne par ligne de tube à ondes progressives la partie centrale du tube permettant l'interaction entre le faisceau d'électron et l'hélice 10 hyperfréquence afin de réaliser l'amplification souhaitée. La ligne est donc composée d'une hélice qui est supportée généralement par trois montants réalisés dans un matériau réfractaire et isolant. L'ensemble est monté dans un fourreau généralement réalisé dans un assemblage bi-métal de fer et d'acier inoxydable. 15 Il est connu trois types d'assemblage des hélices et montants dans le fourreau. Une première méthode consiste, pour réaliser les lignes de tubes 20 à ondes progressives, à réaliser un enquillage de l'hélice équipée de ses montants. On désigne par enquillage l'action d'enquiller des pièces, i.e. d'enfiler ou d'entrer une dans une autre avec un jeu de montage souhaité. Cette opération est réalisée à haute température, typiquement de l'ordre de 1000 °C sous gaz protecteur, tel du dihydrogène, et consiste à positionner 25 précisément dans un fourreau métallique les montants et l'hélice pour qu'au refroidissement une pression s'exerce sur les montants et réalise le contact thermomécanique. Cette solution largement utilisée ne permet pas de dépasser certain seuil thermique en particulier au voisinage de la sortie hyperfréquence, car la pression n'est partiellement plus assurée. 30 Une deuxième méthode consiste à utiliser une presse qui déforme de manière plastique l'extérieur du fourreau et créé ainsi une contrainte mécanique rémanente en compression sur l'hélice via les montants. 3053831 2 Ces solutions connues par enquillage limitent la conduction thermique pour évacuer la chaleur entre le tube ou bague en cuivre et le fourreau métallique, car le contact n'est pas continu, mais ponctuel. Enfin, il existe une troisième méthode de brasage avec des montants et des hélices en cuivre pour des grandes dimensions, supérieures à 5 mm de diamètre en bloquant la dilatation du fourreau métallique externe avec un outillage en molybdène. Dès que l'on souhaite pouvoir assembler des pièces de petites tailles dans des dimensions inférieures à 5 mm, cette technique ne peut plus être employée pour des problèmes de précision mécanique de l'ensemble après brasage. Cette solution de brasage se heurte au problème d'échelle et de matériaux, car elle ne peut s'appliquer à des lignes de tubes à ondes progressives de diamètre inférieurs à 5 mm. Il est en outre impossible de braser des hélices en tungstène du fait du coefficient de dilatation plus faible que celui de la frette (bague entourant une pièce pour bloquer les dilatations du fourreau externe). Un but de l'invention est de réaliser des lignes de tubes à ondes progressives de diamètre inférieurs à 5 mm en une seule étape de brasage avec des précisions de l'ordre de quelques microns, i.e. entre 1 et 30 microns. Un autre but de l'invention est d'améliorer les échanges thermiques pour évacuer la chaleur vers l'extérieur de la ligne. Aussi, il est proposé, selon un aspect de l'invention, une ligne de tube à ondes progressives comprenant un fourreau métallique externe, une hélice interne, un tube ou bague en cuivre disposé entre l'hélice et le fourreau, et des montants disposés entre l'hélice et le tube en cuivre, dans laquelle une brasure lie un montant à l'hélice, et une brasure lie le tube en cuivre au fourreau, ladite brasure comprenant un ressort de brasage. 3053831 3 Ainsi, grâce à l'utilisation d'un tel ressort de brasage ou ressort de capillarité, il est possible de réaliser une ligne de tube à ondes progressives en une seule étape de brasage, et ce pour des lignes de diamètres inférieurs à 5 mm et comprenant des hélices en tungstène. En outre l'utilisation d'une 5 brasure améliore le transfert thermique par rapport à l'état de l'art connu d'enquillage, dans lequel les contacts sont ponctuels et limitent le transfert thermique pour évacuer la chaleur. Dans un mode de réalisation, à chacune des extrémités du ressort 10 de brasages est disposée au moins une spire en cuivre brasée ou uniquement de la brasure afin de garantir le centrage de pièces pendant l'opération de brasage et ainsi assurer la co-axialité entre les différents diamètres. 15 Ainsi, il est possible de garantir le centrage du tube en cuivre et du fourreau. Compte tenu des dilatations relativement modestes et des dimensions, la présente invention consiste à utiliser la déformation de la paroi en cuivre afin de restreindre le jeu entre les montants et l'hélice par blocage du diamètre extérieur du tube en cuivre par le ressort de brasage 20 réalisé dans un matériau à faible coefficient de dilatation et bon conducteur thermique comme le tungstène. D'autre part le jeu de brasage entre le fourreau et le ressort de capillarité ne permet pas à la brasure de s'écouler obligatoirement du fait du manque de jeu. C'est la raison pour laquelle cet espace de capillarité est crée entre chaque spire (ou pas du ressort) 25 garantissant le jeu de mouillage optimum. Selon un mode de réalisation, la ligne de tube à ondes progressives comprend en outre une brasure liant un montant au tube en cuivre. 30 Ainsi, le centrage du tube en cuivre lui-même lié à l'hélice permet de garantir le centrage de l'hélice vis-à-vis du fourreau. 3053831 4 Dans un mode de réalisation, l'espacement des spires du ressort de brasage dépend de la viscosité de la brasure liant le tube en cuivre au fourreau et de la température de brasage. 5 Ainsi, il est possible en fonction de la brasure choisie de garantir la mouillabilité de n'importe quel type de brasure et ainsi de garantir l'assemblage en une seule opération. Par exemple, l'espacement des spires du ressort de brasage peut 10 être compris entre 0,02 mm et 0,1 mm. Selon un mode de réalisation, le ressort de brasage est formé d'un fil enroulé sur le tube en cuivre. 15 Ainsi, le montage du ressort de brasage sur le tube en cuivre permet de garantir le respect des jeux de brasage par contact direct du ressort de brasage sur le tube en cuivre. Par exemple, le ressort de brasage peut comprendre du 20 molybdène et/ou du tungstène et/ou du tantale. Par exemple, le fourreau peut comprendre un alliage fer/cupronickel ou du fer/cuivre ou fer/acier inox. 25 Selon un autre aspect de l'invention, il est également proposé un procédé de fabrication d'une ligne de tube à ondes progressives, comprenant les étapes consistant à : disposer une hélice en matériau réfractaire dans un fourreau 30 métallique externe, un tube ou bague en cuivre à l'intérieur du fourreau, contre le fourreau, une pluralité de montants de maintien entre l'hélice et le tube en cuivre, un ressort de brasage et un matériau à braser entre le tube en cuivre et le fourreau, et un matériau à braser entre les montants et l'hélice en matériau réfractaire; et braser simultanément l'ensemble des matériaux à braser. 3053831 5 Ainsi il est possible de braser l'ensemble des pièces en une seule opération, et d'utiliser un ressort de brasage ou de capillarité dont les 5 dimensions, et en particulier le pas, permettent de réaliser un brasage capillaire obligatoire dans le fourreau du tube, de dimensionner ensuite précisément un tube ou bague en cuivre dont l'épaisseur à haute température permet de réaliser le jeu voire le serrage entre les montants et l'hélice sur lesquels une couche de brasure adéquate est déposée tout en 10 maintenant des distances entre les montants et le fourreau les plus petites possible pour assurer une conduction thermique très améliorée. Dans certains cas, afin de certifier le centrage du tube en cuivre dans le fourreau il est possible de remplacer le ressort de capillarité sur une spire par un anneau non fermé en cuivre ou dans la composition de la brasure. 15 Ce procédé permet ainsi de réaliser des tubes à ondes progressives dont les dimensions extérieures sont de l'ordre de quelques millimètres de diamètre sur 150 mm de long. 20 Dans un mode de mise en oeuvre, le procédé comprend en outre une étape consistant à disposer un matériau à braser entre les montants et le tube en cuivre. Cette brasure additionnelle permet de garantir un juste 25 positionnement de la brasure à l'endroit adapté en fonction des critères thermiques. L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les 30 dessins annexés sur lesquels les figures 1 et 2 illustrent schématiquement une ligne de tube à ondes progressives et un procédé de fabrication d'une telle ligne, selon un aspect de l'invention; 3053831 6 Sur l'ensemble des figures, les éléments ayant des références identiques sont similaires. les modes de réalisation décrits sont nullement limitatifs. 5 Dans la présente description, les caractéristiques et fonctions bien connues de l'homme du métier ne sont pas décrites en détails. Les figures 1 et 2 illustrent schématiquement une ligne de tube à ondes progressives et un procédé de fabrication d'une telle ligne, selon un 10 aspect de l'invention. La figure 1 représente une coupe transversale d'une ligne de tube à onde progressive et la figure 2 représente une coupe transversale correspondante, de la ligne 1 de tube à ondes progressives obtenue selon un 15 aspect de l'invention. Une hélice 2 réalisée dans un matériau réfractaire à faible dilatation, tel du tungstène ou le Molybdène, est placée entre une pluralité de montants 3 réalisés dans un matériau électriquement isolant mais étant un 20 bon conducteur thermique, tel du diamant, le tout étant introduit dans un tube ou une bague en cuivre 4. En l'espèce, la ligne 1 de tube à ondes progressives comprend trois montants 3 de maintien, mais en variante un nombre différent de 25 montants peut être utilisé. La ligne 1 de tube à ondes progressives comprend un fourreau externe 5, en l'espèce métallique, qui constitue ensuite la structure du tube à ondes progressives. Le fourreau externe 5 est généralement réalisé dans un 30 bi-matériau ou alliage tel un alliage fer/cupro-nickel ou du fer/cuivre ou fer/acier inox. De la brasure 7a est préalablement déposée sur chaque interface de contact, notamment sur la surface externe du tube en cuivre 4 et sur la 35 surface interne du fourreau 5, ainsi que 7b sur les parties de la surface 3053831 7 externe de l'hélice 2 en contact avec les montants de maintien 3 et sur les parties des montants 3 en contact avec l'hélice 2. De manière optionnelle, de la brasure 7c peut également être 5 déposée sur les parties de la surface interne du tube en cuivre 4 en contact avec les montants de maintien 3 et sur les parties des montants 3 en contact avec le tube en cuivre 4. Un ressort de brasage ou de capillarité 8 est ajusté serré sur la 10 surface externe du tube en cuivre 4. Ce ressort de brasage ou de capillarité 8 peut être réalisé au moyen d'un fil réalisé dans un matériau à faible coefficient de dilatation, typiquement inférieur à 6.10-6 mm/°C, ayant une résistance mécanique suffisante, typiquement supérieure à 200 MPA, et possédant des bonnes propriétés de conduction thermique, tel le molybdène, 15 le tungstène ou le tantale, est ajusté serré sur le tube en cuivre 4. Pour rappel, la résistance d'un cuivre recuit est au voisinage de 20 MPA. Le pas du fil enroulé ou du ressort de brasage est défini pour assurer le jeu de brasage nécessaire généralement compris entre 0.02 mm 20 et 0.1 mm. L'espacement des spires du ressort de brasage dépend de la viscosité de la brasure 7a liant le tube en cuivre 4 au fourreau 5 et de la température de brasage. L'ensemble ou ligne est placé dans un four afin de réaliser 25 l'opération d'assemblage par brasage à une température typiquement comprise entre 700 °C et 1100 °C. Le ressort ou fil de brasage ou de capillarité 8, se dilatant moins que le tube en cuivre 4, impose une déformation du tube en cuivre 4, qui de 30 ce fait diminue en diamètre et, dans le même temps le cuivre se dilatant davantage, imprime une légère compression généralement de l'ordre de 10 pm sur les montants de maintien 3 et sur l'hélice 2. Le brasage peut donc se faire sans serrage excessif. 3053831 8 Dans le même temps, le ressort de brasage ou de capillarité 8 oblige la brasure 7a à circuler dans les interstices du ressort ou fil 8 et à combler également le jeu de brasage entre le fourreau 5 et le ressort de brasage 8. 5 Un tel assemblage permet de réaliser des lignes de tubes à ondes progressives dont les dimensions sont inférieures à 5 mm de diamètre sur des longueurs relativement importantes pouvant aller jusqu'à 150 mm. 10 Par exemple, l'hélice 2 peut avoir un diamètre de 0.8 mm, les montants peuvent avoir une hauteur de 0,5 mm, un tube en cuivre 4 de 0.35 mm d'épaisseur, et un fil 8 de 0.15mm de diamètre enroulé sur une longueur de tube en cuivre 4 de 150 mm de long. 15 Pour garantir le centrage du tube en cuivre 4 et du fourreau 5, il est possible, astucieusement, de remplacer, sur une spire le fil de brasage ou de capillarité 8 par du cuivre ou encore par de la brasure 7a à chaque extrémité. 20 Un autre intérêt majeur de la présente invention, est de réaliser un assemblage ayant des propriétés thermiques des assemblages brasés en ayant la certitude de remplir les interstices de brasure composés généralement d'or et de cuivre également très bon conducteurs thermiques. Le cas échéant, en fonction des applications des brasures à base d'argent 25 peuvent également être employées. La présente invention, permet, par l'utilisation d'un tel ressort de brasage ou ressort de capillarité, de réaliser une ligne de tube à ondes progressives en une seule étape de brasage, et ce pour des lignes de 30 diamètres inférieurs à 10 mm et comprenant des hélices en tungstène. En outre l'utilisation d'une brasure améliore le transfert thermique par rapport à l'état de l'art connu d'enquillage, dans lequel les contacts sont ponctuels et limitent le transfert thermique pour évacuer la chaleur. 35 REVENDICATIONS1. Ligne (1) de tube à ondes progressives comprenant un fourreau (5) métallique externe, une hélice interne (2), un tube (4) en cuivre disposé entre l'hélice (2) et le fourreau (1), et des montants (3) disposés entre l'hélice (2) et le tube (4) en cuivre, dans laquelle une brasure (7b) lie un montant (3) à l'hélice (2), et une brasure (7a) lie le tube (4) en cuivre au fourreau (5), ladite brasure (7a) comprenant un ressort de brasage (8). 2. Ligne (1) de tube à ondes progressives selon la revendication 1, dans laquelle à chacune des extrémités du ressort de brasage (8) est disposée au moins une spire en cuivre brasée ou uniquement de la brasure (7a). 3. Ligne (1) de tube à ondes progressives selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre une brasure (7c) liant un montant (3) au tube (4) en cuivre. 4. Ligne (1) de tube à ondes progressives selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'espacement des spires du ressort de brasage (8) est compris entre 0,02 mm et 0,1 mm. 5. Ligne (1) de tube à ondes progressives selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le ressort de brasage (8) est formé d'un fil enroulé sur le tube (4) en cuivre. 30 6. Ligne (1) de tube à ondes progressives selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le ressort de brasage (8) comprend du molybdène et/ou du tungstène et/ou du tantale. 7. Ligne (1) de tube à ondes progressives selon l'une des 35 revendications précédentes, dans laquelle le fourreau (5) comprend un alliage acier/cupro-nickel ou un alliage acier/cuivre 25 3053831 10 8. Procédé de fabrication d'une ligne (1) de tube à ondes progressives, comprenant les étapes consistant à : disposer une hélice (2) en matériau réfractaire dans un fourreau (5) 5 métallique externe, un tube en cuivre (4) à l'intérieur du fourreau (5), contre le fourreau (5), une pluralité de montants (3) de maintien entre l'hélice (2) et le tube (4) en cuivre, un ressort de brasage (8) et un matériau à braser (7a) entre le tube en cuivre et le fourreau (5), et un matériau à braser (7b) entre les montants (3) et l'hélice (2); et 10 braser simultanément l'ensemble des matériaux à braser (7a, 7b). 9. Procédé selon la revendication 8, comprenant en outre une étape consistant à disposer un matériau à braser (7c) entre les montants (3) et le tube (4) en cuivre. 15