Procédé de production de monocristaux de matériaux réfractaires à haut point de fusion et installation pour la mise en aeuvre de ce procédé La présente invention concerne un procédé de préparation de monocristaux de matériaux réfrac- taires à haut point de fusion, selon lequel on réalise en la matière dont on désire obtenir les cristaux un corps dans lequel est ménagée une cavité,
on intro duit ce corps dans un milieu contrôlé et là on fait passer dans ce corps un courant électrique jusqu'à ce qu'au moins la paroi de la cavité ait été portée à la température de sublimation.
Selon un procédé connu, le corps consiste en un cylindre creux fermé dans lequel des cristaux de greffe sont disposés ; ce cylindre est uniquement chauffé par une source de courant extérieure et est entouré de deux cylindres métalliques afin d'éviter l'évaporation extérieure.
Conformément à l'invention on tend à réaliser un procédé qui diffère du procédé connu du fait qu'on ne doit pas faire usage de cristaux de greffe, ce qui augmente le champ d'application et le rendement du procédé. De même, le procédé selon l'invention offre, par rapport au procédé connu, l'avantage que la chaleur est obtenue par effet Joule dans la matière du corps dont les cristaux sont formés. Ce chauffage est beaucoup plus rationnel et rend superflue l'appli cation de cylindres métalliques entourant le corps dans le but de combattre l'évaporation extérieure.
On avait cependant déjà proposé de provoquer le chauffage par effet Joule dans un cylindre fermé mais toujours en présence de cristaux de greffe et sous chauffage additionnel des extrémités fermées du cylindre.
Conformément à l'invention on ménage ladite cavité sous forme d'un canal, on fait passer le cou rant électrique au travers du corps, à l'aide de deux électrodes qui obturent les extrémités du canal et on refroidit les électrodes, au moins à hauteur du plan de contact avec le canal, jusqu'à une température inférieure à la température d'équilibre de la matière gazeuse à l'intérieur du canal.
D'une manière avantageuse on isole thermique- ment des électrodes, les extrémités du corps.
Dans une forme de réalisation avantageuse de l'invention on dispose, contre l'extrémité d'au moins une des électrodes, dirigée vers le corps, une plaque de matière thermiquement isolante et on recouvre cette couche, du côté dirigé vers le corps, d'une feuille électriquement conductrice qui relie électri quement l'électrode considérée au corps.
L'invention a également trait à une installation pour la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus et plus particulièrement à une installation comportant une chambre à vide, deux électrodes se trouvant face à face et traversant une paroi de la chambre et des moyens permettant l'alimentation de ces électrodes. Dans cet ordre d'idées, l'invention vise surtout à réa liser une installation dont les électrodes conduisant le courant électrique destiné au chauffage d'un corps disposé entre les électrodes peuvent être maintenues à la température exacte pour que des cristaux puis sent se former sur ces électrodes.
A cet effet les extrémités des électrodes se fai sant face sont recouvertes d'un isolant thermique qui est lui-même recouvert d'une couche électriquement conductrice reliée à l'électrode considérée.
Dans une forme de réalisation avantageuse de l'invention la couche électriquement conductrice pré citée consiste en une feuille de métal qui recouvre l'isolant thermique, au moins du côté opposé à l'élec trode et qui est reliée, au moins en un endroit, à l'électrode. D'autres détails et particularités de formes d'exé cution de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après d'un procédé de production de mo- nocristaux de matériaux réfractaires à haut point de fusion selon l'invention et de deux installations pour la mise en oeuvre de ce procédé, également selon l'invention.
Les notations de référence se rapportent aux des sins ci-annexés.
La fig. 1 est une coupe verticale de l'installation selon l'invention.
La fig. 2 est une coupe verticale, à une plus grande échelle, de la partie centrale de l'installation selon la fig. 1.
Dans les deux figures, les mêmes notations de référence se rapportent aux mêmes éléments.
On constitue, par compression et concrétion, un cylindre 1, à partir de bioxyde d'uranium en poudre. On fore dans le cylindre 1 un canal rond 2, dont le diamètre augmente vers les extrémités. Dans l'exem ple cité, le cylindre 1 peut avoir une longueur de 40 mm, un diamètre extérieur de 25 mm et une épaisseur de parois de 5 à 8 mm. Le cylindre 1 est disposé entre deux électrodes 3 consistant, chacune, en une tubulure de cuivre ayant une cavité centrale 4, dans laquelle est disposée une buse 5 pour l'amenée d'eau de refroidissement, évacuée, à son tour, via l'espace formé entre la paroi extérieure de la buse 5 et la paroi intérieure de la cavité 4 dans l'électrode 3.
Une rondelle 6, en matière réfractaire à haut point de fusion, par exemple en oxyde de zirconium, est interposée entre l'extrémité de chaque électrode 3 et l'extrémité adjacente du cylindre 1.
Les rondelles 6 servent d'isolant thermique. Une feuille mince 7 de wolfram ou de tantale, d'une épais seur de l'ordre de 0,5 mm, est repliée sur chacune des rondelles 6 et est connectée à l'électrode corres- pondante 3, à l'aide d'une vis 8 et d'un blochet 9. Les feuilles 7 shuntent les rondelles 6. Une feuille métallique 10 à haut point de fusion, par exemple en wolfram, entoure partiellement aussi bien le cylin dre 1 que les rondelles 6 et est également reliée aux électrodes 3.
L'ensemble décrit ci-avant est placé dans un espace clos 11, qui consiste en un cylindre de quartz pourvu à ses deux extrémités de joues 12, refroidies à l'eau. Les joues 12 sont prolongées, de telle sorte que leur partie centrale déborde de l'espace clos sous forme de guides 13 se terminant en colliers 14, dont l'un est obturé par un couvercle 15 et dont l'autre est fixé par un disque 16 qui lui est solidaire, via une chemise de tombac, à deux couvercles solidaires 18 qui, à leur tour, sont fixés à l'électrode correspon dante 3 et à une installation de mesure 19,
destinée à enregistrer le déplacement de l'électrode 3 au cours du processus de sublimation.
Le procédé selon l'invention se déroule suivant un exemple d'exécution préféré, de la manière sui vante<B>:</B> lorsque l'ensemble formé par les électrodes 3, le cylindre 1 et les éléments auxiliaires 6, 7 et 10, est disposé dans l'espace clos 11, on crée dans ce dernier un vide d'environ 10- mm Hg. On met ensuite les extrémités 20 des électrodes 3 sous ten sion, après quoi on fait passer le courant via les feuilles 7 et la feuille métallique 10. On élève lente ment le courant et la tension, de 0 jusqu'à une valeur de 120 A et 10 V. Après 90 minutes environ, le cylindre 1 atteint une température d'environ 10001, C.
On fait alors passer, pendant un temps court, un courant de 300 A, ce qui fait fondre la feuille 10 et ensuite on fait passer par le cylindre 1 un courant de 200 A sous 10 V, ce qui porte la température de la paroi externe du cylindre 1 à 1700 C et la tempé rature de la paroi interne de celui-ci à 25001, C. A cette température, le bioxyde d'uranium sublime et se condense, sous forme de monocristaux, sur les parois obturant le canal 2.
Les rondelles isolantes 6 peuvent être omises lorsque l'intensité du courant au travers du cylindre est beaucoup plus élevée ; dans ce cas, un refroidis sement beaucoup plus intensif est désiré. Le pré chauffage du cylindre 1 peut être obtenu également par exemple à l'aide d'un four ou en faisant passer une haute tension dans les électrodes. Le procédé peut également être mis en oeuvre dans un autre milieu contrôlé, par exemple dans un gaz inerte.
Process for the production of single crystals of refractory materials with a high melting point and installation for the implementation of this process The present invention relates to a process for the preparation of single crystals of refractory materials with a high melting point, according to which is carried out in the process. matter of which one wishes to obtain the crystals a body in which is made a cavity,
this body is introduced into a controlled environment and there an electric current is passed through this body until at least the wall of the cavity has been brought to the temperature of sublimation.
According to a known method, the body consists of a closed hollow cylinder in which graft crystals are arranged; this cylinder is only heated by an external current source and is surrounded by two metal cylinders in order to avoid external evaporation.
In accordance with the invention there is a tendency to carry out a process which differs from the known process in that graft crystals must not be used, which increases the field of application and the yield of the process. Likewise, the method according to the invention offers, over the known method, the advantage that the heat is obtained by the Joule effect in the material of the body from which the crystals are formed. This heating is much more rational and makes superfluous the application of metal cylinders surrounding the body in order to combat external evaporation.
However, it had already been proposed to cause heating by the Joule effect in a closed cylinder, but always in the presence of graft crystals and under additional heating of the closed ends of the cylinder.
According to the invention, said cavity is provided in the form of a channel, the electric current is passed through the body, using two electrodes which block the ends of the channel and the electrodes are cooled, at least to height of the plane of contact with the channel, down to a temperature below the equilibrium temperature of the gaseous material inside the channel.
Advantageously, the ends of the body are thermally insulated from the electrodes.
In an advantageous embodiment of the invention there is placed, against the end of at least one of the electrodes, directed towards the body, a plate of thermally insulating material and this layer is covered, on the side directed towards the body, with d 'an electrically conductive sheet which electrically connects the electrode in question to the body.
The invention also relates to an installation for implementing the method described above and more particularly to an installation comprising a vacuum chamber, two electrodes lying face to face and passing through a wall of the chamber and means allowing the supply of these electrodes. In this order of ideas, the invention aims above all to achieve an installation in which the electrodes conducting the electric current intended for heating a body arranged between the electrodes can be maintained at the exact temperature so that crystals can then be formed. on these electrodes.
For this purpose, the ends of the electrodes facing each other are covered with a thermal insulator which is itself covered with an electrically conductive layer connected to the electrode in question.
In an advantageous embodiment of the invention, the aforementioned electrically conductive layer consists of a metal sheet which covers the thermal insulation, at least on the side opposite to the electrode and which is connected, at least in one place, to the electrode. Other details and peculiarities of embodiments of the invention will emerge from the description given below of a process for the production of single crystals of refractory materials with a high melting point according to the invention and of two installations. for the implementation of this method, also according to the invention.
The reference notations relate to the attached sins.
Fig. 1 is a vertical section of the installation according to the invention.
Fig. 2 is a vertical section, on a larger scale, of the central part of the installation according to FIG. 1.
In both figures, the same reference notations refer to the same elements.
By compression and concretion, a cylinder 1 is formed from powdered uranium dioxide. A round channel 2 is drilled into the cylinder 1, the diameter of which increases towards the ends. In the example cited, the cylinder 1 may have a length of 40 mm, an outside diameter of 25 mm and a wall thickness of 5 to 8 mm. The cylinder 1 is arranged between two electrodes 3, each consisting of a copper tubing having a central cavity 4, in which is arranged a nozzle 5 for the supply of cooling water, discharged, in turn, via the space formed between the outer wall of the nozzle 5 and the inner wall of the cavity 4 in the electrode 3.
A washer 6, made of refractory material with a high melting point, for example zirconium oxide, is interposed between the end of each electrode 3 and the adjacent end of cylinder 1.
The washers 6 serve as thermal insulation. A thin sheet 7 of wolfram or tantalum, with a thickness of the order of 0.5 mm, is folded over each of the washers 6 and is connected to the corresponding electrode 3, using a screw 8 and a block 9. The sheets 7 shunt the washers 6. A metal sheet 10 with a high melting point, for example in wolfram, partially surrounds both the cylinder 1 and the washers 6 and is also connected to the electrodes 3.
The assembly described above is placed in an enclosed space 11, which consists of a quartz cylinder provided at its two ends with cheeks 12, cooled with water. The cheeks 12 are extended, so that their central part protrudes from the enclosed space in the form of guides 13 ending in collars 14, one of which is closed by a cover 15 and the other of which is fixed by a disc 16 which is integral with it, via a tombac jacket, with two integral covers 18 which, in turn, are attached to the corresponding electrode 3 and to a measuring installation 19,
intended to record the displacement of the electrode 3 during the sublimation process.
The method according to the invention takes place according to a preferred example of execution, as follows <B>: </B> when the assembly formed by the electrodes 3, the cylinder 1 and the auxiliary elements 6, 7 and 10, is placed in the enclosed space 11, a vacuum of about 10- mm Hg is created in the latter. The ends 20 of the electrodes 3 are then placed under voltage, after which the current is passed through the sheets 7 and the metal foil 10. The current and the voltage are slowly raised, from 0 to a value of 120 A and 10 V. After approximately 90 minutes, the cylinder 1 reaches a temperature of approximately 10001, C.
A current of 300 A is then passed for a short time, which melts the sheet 10 and then a current of 200 A at 10 V is passed through cylinder 1, which raises the temperature of the external wall. cylinder 1 at 1700 ° C. and the temperature of the internal wall thereof at 25001 ° C. At this temperature, the uranium dioxide sublimates and condenses, in the form of single crystals, on the walls closing off channel 2.
The insulating washers 6 can be omitted when the intensity of the current through the cylinder is much higher; in this case, much more intensive cooling is desired. The preheating of the cylinder 1 can also be obtained, for example, using an oven or by passing a high voltage through the electrodes. The process can also be carried out in another controlled medium, for example in an inert gas.