Dément optique et procédé pour sa fabrication La présente invention a pour objet un élément optique, caractérisé en ce qu'il consiste en un solide homogène de séléniure de zinc moulé.
L'invention comprend également un procédé de fabrication dudit élément optique. Ce procédé est caractérisé en ce que l'on place du séléniure de zinc pur en poudre microcristalline dans un moule, en ce que l'on soumet le séléniure de zinc à une pression de 700 à 3500 kg/cm2, tout en maintenant sa tem pérature entre 843 et 1093C, pendant un temps suffisant pour qu'il devienne homogène, puis en ce que l'on relâche la pression et refroidit le moule.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, deux appareils et une variante, pour des mises en aeuvres particulières du procédé selon l'invention.
La fig. 1 est une vue en élévation et partiellement en coupe du premier appareil.
La fig. 2 est une coupe axiale d'un détail d'une variante de cet appareil.
La fig. 3 est une vue en élévation et partiellement en coupe du second appareil.
L'appareil représenté dans la fig. 1 comprend une embase 16, un joint en silicone 23, un bloc 9, un isolant thermique 15, un bloc 13, un cylindre de moulage 12 muni d'un bouchon fileté 32, un plon geur de moulage 17 présentant une tête 8 disposée de manière à pouvoir être fixée à un piston de presse hydraulique non représenté, apte à déplacer le plongeur 17 verticalement vers l'intérieur du cylin dre de. moulage 12, et presser ainsi la poudre de séléniure de zinc en un élément solide 10, et égale ment apte à retirer ledit plongeur hors du cylindre de moulage 12.
La tête 8 est rattachée à un anneau de cen trage 18 par un soufflet métallique 20, qui forme un joint étanche au vide autour de la partie supé rieure du plongeur 17. Un cylindre 21, supporté par un bloc 7, entoure le cylindre de moulage 12 et la partie inférieure du plongeur 17. Un corps de chauffe 14, comprenant une enveloppe réfractaire et également supporté par le bloc 7, est placé autour du cylindre 21 et contient des enroulements de chauffage électrique 11 dont une borne est représentée en 27. Un cylindre 29 est placé coaxialement au cylindre 21 et forme une chambre à vide 30 dont les extrémités sont fermées par les joints 23 et 26 et les plaques 16 et 19 respec tivement.
Des serpentins de refroidissement 25 sont. disposés au contact de la surface externe du cylin dre 29 et de la plaque 19. Un conduit 24 raccorde la chambre à vide 30 à un appareil d'évacuation non représenté. Le tout est assemblé par la coopération de la plaque supérieure 19, de tiges filetées 22 et de la plaque inférieure 16.
La température du bloc 13 et du cylindre 12 est mesurée au moyen des thermocouples 28 et 31 placés dans des puits ménagés dans le cylindre de moulage 12 et dans le bloc 13, respectivement au voisinage de l'emplacement de moulage.
Les blocs 9 et 13 et le cylindre 12 avec son bouchon 32 sont de préférence en molybdène ou en alliage de molybdène. Le bloc 9 peut être en alliage nickel-chrome ou en acier inoxydable.
Une fenêtre satisfaisante de séléniure de zinc polycristallin transparent pressé à chaud peut être obtenue au moyen de l'appareil représenté à la fig. 1, comme suit On introduit de la poudre de séléniure de zinc dans la cavité du cylindre 12, sous le plongeur 17. On fait le vide dans la chambre 30 par le tuyau 24. Ensuite, on fait circuler de l'eau de refroidissement par les serpentins 25, et également dans les platines, non représentées, de la presse hydraulique, puis on alimente les enroulements de chauffage 11 en cou- rant électrique, par les bornes 27.
La température du moule est réglée au moyen des thermocouples platine-rhodium 28 et 31. On chauffe l'appareil de pressage à chaud jusqu'à ce que la température indi quée par le thermocouple 31 atteigne 1121 C, et on le maintient à cette température sous vide, pendant une période de dégazage de 15 min.
Après ce déga zage, on abaisse la température à 9820C. Lorsque la température indiquée par le thermocouple 31 atteint 982 C, on exerce une force sur la tête 8 du plongeur 17 au moyen de la presse hydraulique non représentée, et on élève à environ 2100 kg/cm@ la pression subie par la poudre de séléniure de zinc. On maintient cette pression sur le sélénium de zinc pendant 15 à 30 min. tout en maintenant la tempé rature indiquée de 982C.
En raison de la technique de mesure par thermocouple, la température indi quée peut varier d'appareil à appareil pour les résultats optimums, l'écart pouvant atteindre envi- ron -;- 10 %. A la fin de la période de pressage, on coupe le courant et on introduit de l'argon ou un autre gaz inerte dans la chambre 30, en provenance d'une source non représentée.
On laisse l'appareil refroidir jusqu'à une température indiquée par les thermocouples d'environ 204C.
La température et le temps de dégazage exacts dépendent de l'échantillon particulier de matière pre mière utilisée, ainsi que d'une purification prélimi naire éventuelle de celle-ci.
Le plongeur 17 est alors retiré du cylindre 12 et on laisse refroidir la pièce 10 de séléniure de zinc polycristallin transparent jusqu'à peu près la tempé rature ordinaire, puis on la retire de l'appareil et on l'utilise comme désiré.
La fig. 2 représente une variante du moule. Dans ce cas, le bouchon fileté 32 de la fig. 1, qui sert à retenir la charge 10 de poudre de séléniure de zinc, est remplacé par un bouchon noyé 34. Cet appareil modifié peut servir à la production d'un article de séléniure de zinc polycristallin transparent de la même manière que pour l'appareil de la fig. 1.
L'appareil représenté dans la fig. 2 est à chauf fage à haute fréquence. Cependant, les organes de l'appareil sont, dans l'ensemble, de genre et de fonc tionnement semblables à ceux de l'appareil de la fig. 1.
La poudre de séléniure de zinc est représentée en 41. L'appareil comprend un cylindre de mou lage 42, un bouchon noyé 34, un bloc de moulage 43, un isolant 44 et des blocs de support 45 et 46. Le bloc 46 repose sur une ambase 47. Sur l'embase 47 est également placé un manchon à eau cylindri que 63, scellé à l'embase et traversé par un conduit d'aspiration 65, un conduit 66 de rétablisse ment de la pression atmosphérique et un conduit à thermocouple 71. Un tuyau à eau 70 raccorde la chambre 63 à une alimentation d'eau non représentée. Un thermocouple est montré en 67. Un cylindre de quartz 62 est placé entre les organes 63 et 57 et en est séparé par des joints 68.
Le cylindre 62 et le manchon 63 forment ainsi une chambre à vide 73 dont le sommet est fermé par une plaque 57 présen tant des passages 56 pour le refroidissement par eau. Un joint 55 forme la surface supérieure des pas sages 56 et est tenu en place au moyen d'une plaque de serrage 59, le tout étant serré par plusieurs tiges de serrage 58 pourvues d'écrous à ailettes.
Un plongeur 48 traverse une ouverture de cen trage ménagée dans la plaque 57. La liberté de mouvement du plongeur et une fermeture étanche au vide sont obtenues au moyen d'un soufflet métal lique 53, dont les extrémités sont scellées respecti vement à la tête 54 du plongeur 48 et à la plaque 57.
Le plongeur 48 comprend trois sections 49, 50 et 52. De préférence, la section 49 est en acier inoxydable, la section 50 en alliage nickel-chrome et la section 52 en molybdène. Des isolants 51 sont placés entre les sections 49 et 50 et entre les sec tions 50 et 52. Les isolants 51 et 44 sont en transite (marque de fabrique d'un ciment à base d'amiante) ou en une matière ayant des propriétés d'isolation thermique semblables ou supérieures et qui supporte les hautes températures et pressions régnantes. Le cylindre 42, le bloc 43 et le bouchon noyé 34 sont de préférence en molybdène ou en alliage de molybdène. Le bloc 45 est en alliage nickel-chrome et le bloc 46 en alliage nickel-chrome ou en acier inoxydable. Les plaques supérieures 57 et 59, l'embase 47 et la chambre cylindrique 63 peuvent être en aluminium.
Comme le molybdène ne couple pas efficacement le champ à haute fréquence, un manchon de gra phite 60, qui enserre étroitement le cylindre de mou lage, est utilisé comme induit. Le champ à haute fréquence chauffe le graphite, qui chauffe lui-même les pièces du moule par conduction thermique. Au cas où il serait souhaitable que l'appareil soit dépourvu de manchon de graphite 60, il est préfé rable que la section 52, le cylindre 42 et le bloc 43 soient en une matière couplant efficacement le champ à haute fréquence. A cet effet, on peut employer les alliages à base de nickel pour hautes températures.
Pour faire fonctionner l'appareil de la fig. 3, on observe en substance le même programme de tempé rature, de pression et de vide que décrit ci-dessus, mais la durée du cycle de chauffage peut être consi dérablement réduite grâce au chauffage à haute fré quence.
Les opérations susdécrites de pressage à chaud donnent les résultats optimums. Cependant, des fenê tres satisfaisantes en séléniure de zinc polycristallin transparent ont été produites à des températures variant de 843 à 1093C.
On a fait varier la pression de 700 kg/cm= à 3500 kg/cm2 environ. Aux pressions inférieures à 700 kg/cm=, la fenêtre n'est pas entièrement pressée en une masse homogène. Les pressions dépas sant la valeur optimum de 2100 kg/cm-' ne parais sent pas contribuer à la qualité de la fenêtre. On a fait varier la durée du maintien de la température de pressage dans les limites d'environ 5 à 60 min. Lorsque le temps est de moins de 15 min., la fenêtre peut ne pas être pressée complètement.
Des limites sont imposées au pressage à chaud par les matières disponibles pour la construction du moule. Le plongeur 17, le cylindre 12 et le bloc 13 de la fig. 1 doivent tous être mécaniquement résis tants à haute température. Pour le pressage du sélé- niure de zinc, un alliage de molybdène et de titane ou un alliage de molybdène, de titane et de zirco nium peuvent être employés pour ces pièces.
Une difficulté du pressage à chaud du séléniure de zinc réside dans la purification du composé et dans l'établissement du rapport stoechiométrique dans le composé. La poudre peut être préparée pour le pressage à chaud pendant le cycle de pressage en la chauffant dans la chambre de pressage sous vide à environ 112l C pendant 15 à 30 min. Une purifi cation partielle peut être effectuée avant que la poudre soit placée dans l'appareil de pressage à chaud, en chauffant la poudre dans un courant lent d'hydrogène à 950C pendant 6 h.
Lorsqu'on procède à une purification partielle par traitement à l'hydrogène, la température du dégazage subséquent sous vide peut être abaissée à environ 1080 C. Les conditions de purification ci-dessus s'appliquent à une source particulière de matières premières. Il s'est avéré que d'autres sources de matière première nécessitent certaines variations des conditions de purification.
Une difficulté majeure du pressage à chaud réside dans le collage indésirable du séléniure de zinc aux pièces du moule. Le collage aux pièces en molybdène du moule a provoqué des fissures dans des fenêtres en séléniure de zinc. Ces accidents ont pu être évités en revêtant les parties du moule entrant en contact avec le séléniure de zinc d'une légère couche de graphite qui empêche le collage et le fissurage. Il peut aussi être utile de doubler la cavité du moule au moyen d'une mince feuille d'une matière telle que du tungstène.
Les fenêtres en séléniure de zinc peuvent être scellées dans des bagues métalliques pour l'obtention de fenêtres transmettant la lumière infrarouge scellées hermétiquement au métal. Ce dernier peut servir de surface de montage.
Comme le séléniure de zinc présente un indice de réfraction élevé (environ 2,89 à l'extrémité rouge du spectre visible) il constitue une matière hautement réfringente et peut servir à confectionner des len tilles à fort pouvoir de concentration de la lumière.
Ainsi, on peut revêtir une lentille de séléniure de zinc d'une couche de sulfure de plomb ou d'une autre matière sensible à la lumière infrarouge pour former un excellent détecteur de lumière infrarouge. La lentille de séléniure de zinc augmente la densité des radiations reçues par le photodétecteur. <I>Propriétés du</I> séléniure <I>de zinc pressé à chaud</I> Le séléniure de zinc pressé à chaud acquiert un bon poli optique. Il est de couleur jaune.
Les corps polycristallins pressés à chaud transmettent bien dans l'intervalle allant de 0,5 micron à environ 21 microns. La perte de lumière par réflexion est appréciable en raison du fort indice, mais cette perte peut être notablement réduite par application d'un revêtement antiréfléchissant qui est en même temps un bon transmetteur de la lumière infrarouge. Le séléniure de zinc est pratiquement insoluble dans l'eau, de sorte qu'il est prévisible que son comportement au cours d'épreuves de résistance à l'humidité sera satisfaisant.
La densité du séléniure de zinc a été mesurée par la méthode de pesée hydrostatique décrite dans l'ouvrage d'A. Weissberger intitulé Physical Methods of Organic Chemistry , Interscience Pu- blishers, Inc., New York (1945), volume 1, cha pitre III, page 104.
Cette méthode est généralement reconnue comme appropriée pour les mesures de haute précision de densité des solides et elle est également décrite dans l'ouvrage Methods of Experimental Physics , Academic Press, New York (1959), volume 6, section 4.1.3.3, partie A.
Des écarts par rapport à la densité théorique dénotent des inclusions d'une seconde phase, pou vant consister en impuretés ou en porosité.