EP1497887A1 - Procede de fabrication de fenetre hyperfrequence et fenetre issue du procede - Google Patents

Procede de fabrication de fenetre hyperfrequence et fenetre issue du procede

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Publication number
EP1497887A1
EP1497887A1 EP03747140A EP03747140A EP1497887A1 EP 1497887 A1 EP1497887 A1 EP 1497887A1 EP 03747140 A EP03747140 A EP 03747140A EP 03747140 A EP03747140 A EP 03747140A EP 1497887 A1 EP1497887 A1 EP 1497887A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
disc
collar
tube
brazed
window
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03747140A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Christophe Lievin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thales SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
Publication of EP1497887A1 publication Critical patent/EP1497887A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/08—Dielectric windows

Definitions

  • the invention relates to a method for manufacturing a microwave window, transparent to electromagnetic waves, ensuring a separation between two different media. These windows are used in particular in high-power microwave tubes or on propagation lines supplying a thermonuclear fusion machine.
  • FIG. 1 shows a basic drawing of such a very high power microwave tube of the gyrotron type.
  • the gyrotron of FIG. 1 essentially comprises an enclosure 10 in which a vacuum has been created, and inside this enclosure, an electron gun 12 having a cathode 14 providing a beam of electrons 16 accelerated by an anode 18.
  • the electron beam 16 enters a resonant cavity 20 then into an injector 22 generating an electromagnetic wave transmitted, after reflection by an electromagnetic mirror 24, through a microwave separation window 26 between the empty medium of the enclosure 10 and the ambient medium outside the tube.
  • the electron beam 16 is absorbed by a collector 28.
  • the separation window 26 must perform two main functions, on the one hand, the separation between vacuum of the enclosure 10 of the tube and the external environment which can be ambient air at atmospheric pressure and, on the other hand, the transmission of the microwave wave to the outside of the tube through this separation window. Consequently, the separation window must be able to withstand significant mechanical stresses due to the pressure difference between the two media, the vacuum medium inside the tube and the external medium at ambient air pressure. .
  • the gyrotrons use very high microwave powers, of the order of 1 MW continuously, which causes high stresses, at the level of the separation window, linked to the temperature.
  • a cooling circuit is provided to decrease the temperature of the window.
  • Such a tube generating very high continuous microwave powers implies obtaining a very high vacuum in the enclosure.
  • the manufacturing of the tube includes a steaming phase (around 100 hours) followed by a conditioning phase.
  • the duration of the conditioning phase is linked to the maximum oven drying temperature of the tube, a higher oven temperature decreasing the time required to obtain the desired vacuum.
  • the drawback of state-of-the-art microwave tubes comprising a media separation window is that the maximum oven temperature is limited by the temperature resistance of the window.
  • FIG. 2 shows the window 26 for separating the state of the art used in the gyrotron of FIG. 1.
  • the window 26 ensures the separation between a first 32 and a second media 34, these media being, in the case of the gyrotron of Figure 1, the inside of the enclosure 10 and the outside of the tube.
  • the window 26 essentially comprises a cylindrical disc 36 comprising two flat faces 38 and 40 separating the two media 32 and 34, a first 42 and a second 44 collars, of circular cylindrical shape integral respectively with one and the other of the faces disc planes.
  • the first collar 42 ensures the mechanical fixing of the window with the tube as well as the sealed closure of the enclosure 10.
  • the second collar 44 ensures the fixing of the window (and of the tube).
  • the disc 36 is made of a mechanically resistant material to withstand the stresses due to the pressure differences between the two media and letting pass, with the minimum of absorption, the electromagnetic wave generated by the gyrotron in the first medium towards the outside. of the tube.
  • the disc 36 can be made of ceramic, sapphire, beryllium oxide or ultra pure alumina. For powers up to 1 MW, the disc 36 can be produced from synthetic diamond. The metal collars are brazed on both sides of the disc.
  • the windows of the state of the art have the drawback of their temperature limitation, which limits, moreover, the oven temperature of microwave tubes comprising this type of window.
  • Figures 3a and 3b respectively show a top view and a sectional view of a window 50 for separation of the state of the art, at during the stirring of a collar 52 on a disc 54 of the window using a centering tool having a cylinder 56 and a base 57.
  • a deposit 58 of metal to be brazed is made on the faces of the disc.
  • the cord 58 in the form of a circular crown has substantially the same width as the edge of the collar and the same diameter as the hot collar during brazing. Then in a following step, using the centering tool, the collar 52 is brazed onto the cord 58.
  • the centering tool 56, 57 is calculated to ensure the alignment of the collar 52 and the cord 58 at the brazing temperature. We therefore take into account the differences in expansion of the materials.
  • the material of the cylinder 56 of the centering tool is chosen to have an expansion close to that of the disc 54 but the problem comes from the disc which has an extremely low coefficient of expansion.
  • the disc is no longer perfectly guided by the centering tool producing an alignment defect d1 between the disc and the collar which can reach half the thickness of the collar. With such a state-of-the-art method the reliability of soldering is affected.
  • the collar 52 of circular cylindrical shape comprises, on the side of the edge intended to be brazed to the disc, a widening 60 in the form of a crown increasing the surface of the edge of the collar opposite the surface of the disc.
  • This widening 60 is necessary in view of the clearance d1 for positioning the collar on the disc. This clearance occurs during the rise in temperature of the assembly of the collar and the disc previously positioned in the centering tool.
  • the disadvantage of this enlargement 60 is that the cold stresses between the disc and the collar increase with the risk of breakage or loosening of the collar of the disc.
  • the main objective of the invention is to be able to use a higher baking temperature than that possible in the state of the art for baking vacuum microwave electronic devices comprising a microwave window for separation of media, such as the gyrotrons.
  • Another object of this invention is to obtain a better vacuum in such tubes while having a shorter drying time.
  • Other objectives of this invention are, the simplification of the manufacturing, the reduction of the cost, a better mechanical resistance to the high temperatures of the microwave window.
  • the invention provides a method of manufacturing a microwave window for separation of media comprising a separation disc transparent to microwave electromagnetic waves and at least one collar. in the form of a circular cylindrical tube brazed by one of its edges on one of the two faces of the disc, characterized in that it comprises at least one step consisting in depositing a thin layer of active brazing on the edge of the collar intended to be brazed on one of the two sides of the disc, then braze the tube on the disc.
  • One of the main characteristics of the method of manufacturing the window according to the invention lies in the fact that an active brazing deposit is first carried out on the edge of the collar intended to be brazed on the disc and not previously on the surface. of the disc unlike state of the art window brazing methods in which the circular bead of the same shape as the surface of the brazing collar is first brazed on the surface of the disc before brazing the tube on the disc .
  • a first advantage of the method according to the invention lies in the fact that it no longer produces an offset between the solder bead and the edge of the tube because the bead of material to be brazed is deposited beforehand on the edge of the tube.
  • a practical consequence of the brazing method according to the invention is that the offset between the tube and the brazing bead having been eliminated, the uniformity of the brazing makes it possible to increase the reliability of the mechanical strength between the disc and the brazed collar.
  • the invention also relates to a microwave window for separation of media comprising a separation disc transparent to microwave electromagnetic waves and at least one collar in the form of a circular cylindrical tube brazed by one of its edges on one of the two faces of the disc, characterized in that that the edge of the collar intended to be brazed on one of the flat surfaces of the disc and on which a thin layer of active solder is deposited on a generator close to a straight line.
  • the edge of a collar intended to be brazed to the disc has the same width as the thickness of the wall of the tube.
  • the microwave separation window has two collars in the form of coaxial circular cylindrical tubes brazed to the disc of the window to form a circuit for cooling the disc.
  • FIG. 4a, 4b and 4c show steps of a method of manufacturing a separation window according to the invention
  • FIG. 4d shows a partial view of a brazing area of the collar on the disc, from the window of Figures 4b and 4c;
  • FIG. 5 shows the manufacturing method according to the invention of a window having a collar on each of the two faces of the separation disc
  • FIG. 6 shows a sectional view of a separation window according to the invention comprising a cooling circuit
  • FIG. 7 shows another embodiment of a window according to the invention comprising a cooling circuit on each side of the disc of the window;
  • FIG. 8 shows a double disc window with two windows according to the invention
  • FIG. 9 shows another embodiment of the window according to the invention.
  • FIGS. 4a, 4b and 4c show steps for manufacturing a separation window by the method according to the invention.
  • the window 80 essentially comprises a disc 81 made of synthetic diamond having two main surfaces 82 and 83 substantially parallel and a copper collar 84 intended to be brazed on one face 83 of the two main surfaces of the disc.
  • the disc is made of diamond and the brazing is carried out at a high temperature of the order of 800 ° C.
  • the collar 84 is produced in the form of a circular cylindrical tube with wall thickness e1 and constant diameter of the tube along the tube.
  • a thin layer of active solder 86 (of the Cusin 1 ABA type) melting at a high temperature is deposited on the surface 85 of one of the edges of the collar 84 intended to be brazed on the disc 81 of the order of 800 ° C.
  • the collar 84 is applied, by its edge comprising the active solder 86, to the surface 83 of the disc using a centering tool 87, 88.
  • the assembly, disc 81, collar 84 and active solder 86 is mounted at a temperature of the order of 800 ° C., applying a force F to compress the active solder bead 86 between the edge of the collar and the surface of the disc, to carry out the brazing of the collar on the disc, then the window 80 is cooled to ambient temperature.
  • the active brazing deposit on the surface of one of the edges of the collar intended to be brazed to the disc is carried out by screen printing.
  • Figure 4c shows a top view of the disc and collar guided in the centering tool
  • FIG. 4d shows a partial view of a zone A of brazing the collar 84 on the disk 81, of the window 80 resulting from the method according to the invention.
  • the collar Before the brazing step, the collar has a cold diameter Df, this diameter is substantially constant along the edge of the tube in the area
  • the collar 84 and the disc 81 being brought to a temperature of the order of 800 ° C, the collar expands and its diameter increases to a diameter De when hot. Brazing is carried out hot, stirring of the collar on the surface of the disc occurs for the diameter De hot collar.
  • the difference between the two diameters hot and cold Df can be of the order of the thickness of the edge of the tube
  • the brazing bead integral with the diamond disc which expands very little, substantially keeps its diameter when hot, ie substantially the diameter De of the hot collar, while the collar 84 regains its diameter Df when cold.
  • the diameter of the cold collar Df gradually widens as one approaches the surface of the disc to pass, at the brazing level, to its diameter De when hot corresponding substantially to the diameter of the solder bead 86.
  • the advantage of the method according to the invention lies in the fact that the shape of the edge of the collar and the material of the collar allow a flexible deformation of said edge passing progressively from the diameter Df to the diameter of the solder De producing stresses between the disc and the much lower neck for brazing temperatures, and therefore operating window, higher than those of the brazing methods of the prior art.
  • FIG. 5 shows the method of manufacturing according to the invention of a window comprising a collar on each of the two faces of the separation disc.
  • two identical collars 84 and 85 are produced comprising the active solder deposit 86 on their respective edges intended to be brazed on a disc 90.
  • the disc 90 and the two collars 84 and 85 are mounted in a centering tool 92 in such a way that their respective edge comprising the active brazing 86 is in contact with their respective face of the disc, then their brazing is carried out by heating up in a vacuum oven.
  • a weight P of the centering device 92 pressurizes the two collars on 84, 85 against the two faces of the disc 90.
  • the collars are made in particular from copper, this metal making it possible to limit the stresses between the collar and the disc due to the differences in cold diameters between the edge of the collar brazed to the disc and the collar itself (FIG. 4d).
  • the thickness of the collar is typically 1 mm.
  • the microwave separation window is cooled by a coolant, for this purpose another operation consists in brazing the parts necessary for the circuit. cooling windows described above with one or two collars.
  • Figure 6 shows a sectional view of a separation window according to the invention comprising a cooling circuit.
  • the window of FIG. 6 comprises a cylindrical disc 100 with an axis of revolution ZZ 'and two collars 102, 104 in the form of a circular cylindrical tube of constant diameter.
  • the two collars 102, 104 of different diameters are collinear with the axis ZZ 'of the disc.
  • the two collars are brazed by the method according to the invention described above, by depositing an active brazing metallization on the edges of the collars, then by brazing the collars, on the same surface 101 of the disc 100.
  • the cooling circuit comprises a circular cylindrical separation tube 110 of stainless steel between the two collars 102, 104 of copper.
  • the axis of revolution of the separation tube 110 is collinear with the axis ZZ 'of the disc.
  • the edge of the separation tube on the side of the disc 100 is at a distance D1 from the disc creating with the two collars, an inlet compartment C1 on the side of the collar 102 of smaller diameter, an outlet compartment C2 on the side of the collar 104 of larger diameter and a baffle Ch allowing a circulation of a fluid Fd from a compartment C1 to the other C2 through the baffle Ch.
  • the inlet compartment C1 is closed, on the side opposite to the baffle Ch, by an inlet ring 112 in stainless steel secured to the separation tube 110 and by another inlet collar 114 in copper, in the form of a tube with an axis collinear with the axis ZZ ', brazed by one of its edges on the collar 102 of small diameter.
  • the inlet collar 114 comprises a closing crown 116 made of copper, on the one hand, integral with the inlet crown 112 and on the other hand, brazed on the free edge of the copper inlet collar 114.
  • the crown inlet 112 includes a conduit 120 opening into the inlet compartment C1 to ensure the arrival of cooling fluid Fd in the cooling circuit C1, Ch, C2.
  • the outlet compartment C2 is closed, on the side opposite the baffle Ch, by an outlet ring 122 made of stainless steel, of axis collinear with the axis ZZ ', integral with the collar 104 of larger diameter and of the inlet ring 112.
  • the outlet ring 122 comprises a conduit 126 opening into the outlet compartment C2 to ensure the outlet of the cooling fluid from the cooling circuit C1, Ch, C2.
  • the cooling fluid by circulating from the inlet compartment C1 to the outlet compartment C2 via the baffle Ch, cools the various collars, as well as the part of the disc included between the two collars. Since the diamond disc is a very good conductor of heat, this cooling zone between the collars is sufficient to cool the disc 100.
  • FIG. 7 shows another embodiment of a window comprising a cooling circuit on each face of the disc of the window.
  • a disc 130 comprises on the side of one of its two main faces 132 a first cooling circuit 134 identical to the cooling circuit of FIG. 6 and on the side of the other face 136 of the disc a second circuit 138 symmetrical with the first circuit 134
  • the first cooling circuit 134 will have the same references for the same elements as those of the circuit of FIG. 6 with the index "a" and those of the second cooling circuit 138 the index "b".
  • the disc 130 is then cooled by its two faces.
  • Another embodiment relates to an assembly for a double disc window. These types of dual disc windows are similarly used for tube and microwave propagation lines. For technical reasons the two dielectric discs must be very close to each other (distance Dr).
  • FIG. 8 represents such an assembly comprising a first window 140 identical to the window of FIG. 6 having a separating disc 145 and a second window 142 symmetrical to the first with respect to a plane parallel to the faces of the discs of the two windows, the second window with another separating disc 147.
  • the two windows each have their respective cooling circuits.
  • a cooling circuit 144 on the side of one of the faces of its disc 145 and for the other window 142 a another cooling circuit 146, symmetrical with the first 144, on the side of the other face of its disc 147.
  • a pumping device 150 effects the vacuum in a space delimited schematically by the wall 152 (in dotted lines) comprising the two discs 145, 147 of the double disc window.
  • FIG. 9 shows another embodiment of the window according to the invention comprising a cooling circuit 160 of the same type as that of the window in FIG. 6.
  • the cooling circuit comprises a circular cylindrical stainless steel separating tube 161 between two collars 162, 164 of copper, of different diameters, the tubes and the collars, coaxial with the axis of the ZZ 'of the disc, creating the compartment d inlet C1, the outlet compartment C2 and the baffle Ch allowing circulation of the fluid Fd from one compartment C1 to the other C2 through the baffle Ch.
  • the first collar 162 is in the form of a circular cylindrical tube
  • the second collar 164 surrounding the first is a copper tube of frustoconical shape, the edge of smaller diameter being brazed on the disc 00.
  • the inlet compartment C1 is closed, on the side opposite to the chicane Ch, by an inlet ring 166 made of stainless steel secured to the separation tube 161 and by a closing ring 168 made of copper brazed on the free edge of the collar 162 small diameter.
  • the inlet ring 166 comprises a conduit 168 opening into the inlet compartment C1 to ensure the arrival of cooling fluid in the cooling circuit C1, Ch, C2.
  • the outlet compartment C2 is closed, on the side opposite the chicane Ch, by an outlet ring 170 of stainless steel, of axis collinear with the axis ZZ ', integral with the frustoconical collar 164 and with the inlet ring 166.
  • the outlet ring 166 comprises a duct 172 opening into the outlet compartment C2 to ensure the outlet of the coolant from the cooling circuit C1, Ch, C2.

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  • Microwave Tubes (AREA)

Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une fenêtre hyperfréquence (26, 50, 80) de séparation de milieux (32, 34) comportant un disque de séparation (36, 54, 81, 90, 100, 130, 145, 147) transparent aux ondes électromagnétiques hyperfréquences et au moins un collet (42, 44, 52, 84, 102, 104, 161, 164) en forme de tube cylindrique circulaire brasé par un de ses bords sur une des deux faces (38, 40, 82, 83, 101, 132, 136) du disque, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une étape consistant à déposer une couche mince de brasure active (86) sur le bord du collet destiné à être brasé sur une des deux faces du disque, puis à braser le tube sur le disque. L'invention concerne aussi une fenêtre hyperfréquence de séparation de milieux issue du procédé ayant au moins un collet en forme de tube cylindrique circulaire de génératrice proche d'une droite. Applications: tubes hyperfréquences de grande puissance, lignes de propagation hyperfréquences.

Description

PROCEDE DE FABRICATION DE FENETRE HYPERFREQUENCE ET FENETRE ISSUE DU PROCEDE
L'invention concerne un procédé de fabrication d'une fenêtre hyperfréquence, transparente aux ondes électromagnétiques, assurant une séparation entre deux milieux différents. Ces fenêtres sont notamment utilisées dans les tubes hyperfréquences de grande puissance ou sur des lignes de propagation alimentant une machine à fusion thermonucléaire.
La figure 1 montre un dessin de principe d'un tel tube hyperfréquence de très grande puissance de type gyrotron.
Le gyrotron de la figure 1 comporte essentiellement une enceinte 10 dans laquelle on a fait le vide, et à l'intérieur de cette enceinte, un canon à électrons 12 ayant une cathode 14 fournissant un faisceau d'électrons 16 accélérés par une anode 18. Le faisceau d'électrons 16 entre dans une cavité résonnante 20 puis dans un injecteur 22 générant une onde électromagnétique transmise, après réflexion par un miroir électromagnétique 24, à travers une fenêtre de séparation 26 hyperfréquences entre le milieu vide de l'enceinte 10 et le milieu ambiant extérieur du tube. Le faisceau d'électrons 16 est absorbé par un collecteur 28.
La fenêtre de séparation 26 doit assurer deux fonctions principales, d'une part, la séparation entre vide de l'enceinte 10 du tube et le milieu extérieur qui peut être l'air ambiant à la pression atmosphérique et, d'autre part, la transmission de l'onde hyperfréquence vers l'extérieur du tube à travers cette fenêtre de séparation. Par conséquent, la fenêtre de séparation doit être capable de supporter des contraintes mécaniques importantes du fait de la différence de pression entre les deux milieux, le milieu sous vide à l'intérieur du tube et le milieu extérieur à la pression de l'air ambiant.
En outre, les gyrotrons mettent en œuvre des puissances hyperfréquences très importantes, de l'ordre de 1 MW en continu, ce qui provoque de fortes contraintes, au niveau de la fenêtre de séparation, liées à la température. Un circuit de refroidissement est prévu pour diminuer la température de la fenêtre. Un tel tube générant des puissances hyperfréquences continues très importantes implique l'obtention d'un vide très poussé dans l'enceinte.
A cet effet, la fabrication du tube comporte une phase d'étuvage (d'environ 100 heures) suivie d'une phase de conditionnement. La durée de la phase de conditionnement est liée à la température maximum d'étuvage du tube, une température d'étuvage plus élevée diminuant le temps nécessaire à l'obtention du vide souhaité. L'inconvénient des tubes hyperfréquences de l'état de l'art comportant une fenêtre de séparation de milieux est que la température maximum d'étuvage est limitée par la tenue en température de la fenêtre.
La figure 2 montre la fenêtre 26 de séparation de l'état de l'art utilisée dans le gyrotron de la figure 1. La fenêtre 26 assure la séparation entre un premier 32 et un second milieux 34, ces milieux étant, dans le cas du gyrotron de la figure 1 , l'intérieur de l'enceinte 10 et l'extérieur du tube. La fenêtre 26 comporte essentiellement un disque 36 cylindrique comportant deux faces planes 38 et 40 séparant les deux milieux 32 et 34, un premier 42 et un second 44 collets, de forme cylindrique circulaire solidaires respectivement de l'une et de l'autre des faces planes du disque. Le premier collet 42 assure la fixation mécanique de la fenêtre avec le tube ainsi que la fermeture étanche de l'enceinte 10. Le second collet 44 assure la fixation de la fenêtre (et du tube).
Le disque 36 est réalisé dans un matériau résistant mécaniquement pour supporter les contraintes dues aux différences de pression entre les deux milieux et laissant passer, avec le minimum d'absorption, l'onde électromagnétique générée par le gyrotron dans le premier milieu vers l'extérieur du tube.
Le disque 36 peut être réalisé en céramique, saphir, en oxyde de béryllium ou alumine ultra pure. Pour des puissances atteignant 1 MW, le disque 36 peut être réalisé à partir de diamant synthétique. Les collets métalliques sont brasés sur les deux faces du disque.
Les fenêtres de l'état de l'art présentent l'inconvénient de leur limitation en température, ce qui limite, par ailleurs, la température d'étuvage des tubes hyperfréquences comportant ce type de fenêtre.
Les figures 3a et 3b montrent respectivement une vue de dessus et une vue en coupe d'une fenêtre 50 de séparation de l'état de l'art, au cours du brassage d'un collet 52 sur un disque 54 de la fenêtre à l'aide d'un outil de centrage ayant un cylindre 56 et une base 57.
Dans une première étape du procédé de fabrication de la fenêtre de séparation 50 de l'état de l'art, on effectue un dépôt 58 de métal à braser sur les faces du disque. Le cordon 58 en forme de couronne circulaire a sensiblement la même largeur que le bord du collet et le même diamètre que le collet à chaud lors du brasage. Puis dans une étape suivante, à l'aide de l'outil de centrage, on brase le collet 52 sur le cordon 58.
L'outillage de centrage 56, 57 est calculé pour assurer l'alignement du collet 52 et du cordon 58 à la température de brasage. On prend donc en considération les différences de dilatations des matériaux. Le matériau du cylindre 56 de l'outillage de centrage est choisi pour avoir une dilatation proche de celle du disque 54 mais le problème provient du disque qui a un coefficient de dilatation extrêmement faible. A la température de brasage aux environs de 800°C, le disque n'est plus parfaitement guide par l'outil de centrage produisant un défaut d'alignement d1 entre le disque et le collier pouvant atteindre la moitié de l'épaisseur du collier. Avec une telle méthode de l'état de l'art la fiabilité du brasage s'en trouve affectée.
Pour compenser ce décalage, le collet 52 de forme cylindrique circulaire comporte, du côté du bord destiné à être brasé sur le disque, un élargissement 60 en forme de couronne augmentant la surface du bord du collet en regard avec la surface du disque. Cet élargissement 60 est nécessaire compte tenu du jeu d1 de positionnement du collet sur le disque. Ce jeu se produit lors de la montée en température de l'ensemble du collet et du disque préalablement positionnés dans l'outillage de centrage. L'inconvénient de cet élargissement 60 est que les contraintes à froid entre le disque et le collet augmentent avec risque de cassure ou de descellement du collet du disque.
Le principal objectif de l'invention est de pouvoir utiliser une température d'étuvage plus élevée que celle possible dans l'état de l'art pour l'étuvage des dispositifs électroniques hyperfréquences à vide comportant une fenêtre hyperfréquence de séparation de milieux, tels que les gyrotrons. Un autre objectif de cette invention est d'obtenir un meilleur vide dans des tels tubes tout en ayant une durée d'étuvage plus courte. D'autres objectifs de cette invention sont, la simplification de la fabrication, la diminution du coût, une meilleure tenue mécanique aux températures élevées de la fenêtre hyperfréquence.
A cet effet, et pour pallier aux inconvénients de l'état de l'art, l'invention propose un procédé de fabrication d'une fenêtre hyperfréquence de séparation de milieux comportant un disque de séparation transparent aux ondes électromagnétiques hyperfréquences et au moins un collet en forme de tube cylindrique circulaire brasé par un de ses bords sur une des deux faces du disque, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une étape consistant à déposer une couche mince de brasure active sur le bord du collet destiné à être brasé sur une des deux faces du disque, puis à braser le tube sur le disque.
Une des caractéristiques principales du procédé de fabrication de la fenêtre selon l'invention, réside dans le fait qu'on effectue d'abord un dépôt de brasure active sur le bord du collet destiné à être brasé sur le disque et non préalablement sur la surface du disque contrairement aux procédés de brasage des fenêtres de l'état de l'art dans lesquels le cordon circulaire de même forme que la surface du collet à braser est d'abord brasé sur la surface du disque avant de braser le tube sur le disque. Un premier avantage du procédé selon l'invention réside dans le fait qu'il ne produit plus de décalage entre le cordon de brasure et le bord du tube du fait que le cordon de matériau à braser est déposé au préalable sur le bord du tube.
Une conséquence pratique du procédé de brasage selon l'invention est que le décalage entre le tube et le cordon de brasure ayant été supprimé, l'uniformité du brasage permet d'augmenter la fiabilité de la tenue mécanique entre le disque et le collet brasé.
L'invention concerne aussi une fenêtre hyperfréquence de séparation de milieux comportant un disque de séparation transparent aux ondes électromagnétiques hyperfréquences et au moins un collet en forme de tube cylindrique circulaire brasé par un de ses bords sur une des deux faces du disque, caractérisé en ce que le bord du collet destiné à être brasé sur l'une des surfaces planes du disque et sur lequel on dépose une couche mince de brasure active à une génératrice proche d'une droite. Ainsi, dans une réalisation préférentielle de cette fenêtre selon l'invention, le bord d'un collet destiné à être brasé sur le disque a la même largeur que l'épaisseur de la paroi du tube.
Dans d'autres réalisations, la fenêtre hyperfréquence de séparation, comporte deux collets en forme de tubes cylindriques circulaires coaxiaux brasés sur le disque de la fenêtre pour former un circuit de refroidissement du disque.
L'invention sera mieux comprise à l'aide d'exemples de réalisations de fenêtres hyperfréquences de séparation de milieux selon l'invention, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 , déjà décrite, montre un dessin de principe d'un tube hyperfréquence de l'état de l'art de très grande puissance de type gyrotron ;
- la figure 2 déjà décrite montre une fenêtre de séparation de l'état de l'art utilisée dans le gyrotron de la figure 1 ; - les figures 3a et 3b, déjà décrites, montrent le décalage se produisant entre le collier et le cordon préalablement brasés sur le disque ;
- les figures 4a, 4b et 4c montrent des étapes d'un procédé de fabrication d'une fenêtre de séparation selon l'invention ;
- la figure 4d montre une vue partielle d'une zone de brasage du collet sur le disque, de la fenêtre des figures 4b et 4c ;
- la figure 5 montre le procédé de fabrication selon l'invention d'une fenêtre comportant un collet sur chacune des deux faces du disque de séparation ;
- la figure 6 représente une vue en coupe d'une fenêtre de séparation selon l'invention comportant un circuit de refroidissement ;
- la figure 7 montre une autre réalisation d'une fenêtre selon l'invention comportant un circuit de refroidissement sur chaque face du disque de la fenêtre ;
- la figure 8 représente une fenêtre double disque comportant deux fenêtres selon l'invention ;
- la figure 9 montre une autre réalisation de la fenêtre selon l'invention.
Les figures 4a, 4b et 4c, montrent des étapes de fabrication d'une fenêtre de séparation par le procédé selon l'invention. La fenêtre 80 comporte essentiellement un disque 81 en diamant synthétique ayant deux surfaces principales 82 et 83 sensiblement parallèles et un collet en cuivre 84 destiné à être brasé sur une face 83 des deux surfaces principales du disque. Le disque est en diamant et le brasage est réalisé à une température élevée de l'ordre de 800°C.
Dans une première étape, on réalise le collet 84 en forme de tube cylindrique circulaire d'épaisseur de paroi e1 et diamètre du tube constants le long du tube.
Dans une deuxième étape (figure 4a) on dépose sur la surface 85 d'un des bords du collet 84 destiné à être brasé sur le disque 81 , une couche mince de brasure active 86 (de type Cusin 1 ABA) fondant à une température élevée de l'ordre de 800°C.
L'utilisation de brasure active permet d'obtenir, de façon connue, en une seule opération de brasage, le brasage du collet 84 sur la surface 83 du disque en diamant.
Dans une troisième étape (figure 4b), on applique le collet 84, par son bord comportant la brasure active 86, sur la surface 83 du disque à l'aide d'un outil de centrage 87, 88.
Dans une quatrième étape, on monte l'ensemble, disque 81 , collet 84 et brasure active 86 à une température de l'ordre de 800°C, en appliquant une force F pour compresser le cordon de brasure active 86 entre le bord du collet et la surface du disque, pour réaliser le brasage du collet sur le disque, puis on refroidit la fenêtre 80 à la température ambiante.
Le dépôt de brasure active sur la surface d'un des bords du collet destiné à être brasé sur le disque, est effectué par sérigraphie.
La figure 4c montre une vue de dessus du disque et du collet guidés dans l'outil de centrage
La figure 4d montre une vue partielle d'une zone A de brasage du collet 84 sur le disque 81 , de la fenêtre 80 issue du procédé selon l'invention. Avant l'étape de brasage, le collet présente un diamètre à froid Df, ce diamètre est sensiblement constant le long du bord du tube dans la zone
A.
Au moment du brasage, le collet 84 et le disque 81 étant portés à une température de l'ordre de 800 °C, le collet se dilate et son diamètre augmente jusqu'à un diamètre De à chaud. Le brasage s'effectuant à chaud, le brassage du collet sur la surface du disque se produit pour le diamètre De du collet à chaud. L'écart entre les deux diamètres à chaud De et à froid Df peut être de l'ordre de l'épaisseur du bord du tube
Lors du refroidissement, le cordon de brasure solidaire du disque en diamant, qui se dilate très peu, garde sensiblement son diamètre à chaud soit sensiblement le diamètre De du collet à chaud, alors que le collet 84 retrouve son diamètre Df à froid plus faible. La fenêtre étant refroidie, le diamètre du collet Df à froid s'élargit progressivement au fur et à mesure qu'on se rapproche de la surface du disque pour passer, au niveau du brasage, à son diamètre De à chaud correspondant sensiblement au diamètre du cordon de brasure 86.
L'avantage du procédé selon l'invention réside dans le fait que la forme du bord du collet et la matière du collet permettent une déformation souple dudit bord passant progressivement du diamètre Df au diamètre de la brasure De produisant des contraintes entre le disque et le collet beaucoup plus faibles pour des températures de brasage, et donc de fonctionnement de la fenêtre, supérieures à celles des procédés de brasage de l'art antérieur.
La figure 5 montre le procédé de fabrication selon l'invention d'une fenêtre comportant un collet sur chacune des deux faces du disque de séparation.
On réalise, à cet effet, deux collets 84 et 85 identiques comportant le dépôt de brasure active 86 sur leurs respectifs bords destinés à être brasés sur un disque 90. Le disque 90 et les deux collets 84 et 85 sont montés dans un outil de centrage 92 de telle façon que leur respectif bord comportant la brasure 86 active soit en contact avec leur respective face du disque, puis on effectue leur brasure par montée en température dans un four sous vide. Un poids P du dispositif de centrage 92 assure une mise en pression des deux collets sur 84, 85 contre les deux faces du disque 90.
Les collets sont réalisés notamment en cuivre, ce métal permettant de limiter les contraintes entre le collet et le disque dues aux différences de diamètres à froid entre le bord du collet brasé sur le disque et le collet lui-même (figure 4d). L'épaisseur du collet est typiquement de 1 mm.
Dans d'autres réalisations, la fenêtre de séparation hyperfréquences est refroidie par un liquide de refroidissement, à cet effet une autre opération consiste à braser les pièces nécessaires au circuit de refroidissement aux fenêtres décrites précédemment avec un ou deux collets.
La figure 6 représente une vue en coupe d'une fenêtre de séparation selon l'invention comportant un circuit de refroidissement. La fenêtre de la figure 6 comporte un disque 100 cylindrique d'axe de révolution ZZ' et deux collets 102, 104 en forme de tube cylindrique circulaire de diamètre constant. Les deux collets 102, 104 de diamètres différents sont colinéaires à l'axe ZZ' du disque.
Dans une première phase, les deux collets sont brasés par le procédé selon l'invention décrit précédemment, en déposant une métallisation de brasure active sur les bords des collets, puis en effectuant la brasure des collets, sur une même surface 101 du disque 100.
Dans une deuxième phase, on ajoute à la fenêtre les éléments nécessaires à la réalisation du circuit de refroidissement. Le circuit de refroidissement comporte un tube de séparation 110 cylindrique circulaire en acier inoxydable entre les deux collets 102, 104 en cuivre. L'axe de révolution du tube de séparation 110 est colinéaire avec l'axe ZZ' du disque.
Le bord du tube de séparation du côté du disque 100 est à une distance D1 du disque créant avec les deux collets, un compartiment d'arrivée C1 du coté du collet 102 de plus petit diamètre, un compartiment de sortie C2 du côté du collet 104 de plus grand diamètre et une chicane Ch permettant une circulation d'un fluide Fd d'un compartiment C1 à l'autre C2 à travers la chicane Ch. Le compartiment d'arrivée C1 est fermé, du coté opposé à la chicane Ch, par une couronne d'arrivée 112 en acier inoxydable solidaire du tube de séparation 110 et par un autre collet d'arrivée 114 en cuivre, en forme de tube d'axe colinéaire avec l'axe ZZ', brasé par un de ses bords sur le collet 102 de petit diamètre. Le collet d'arrivée 114 comporte une couronne de fermeture 116 en cuivre, d'une part, solidaire de la couronne d'arrivée 112 et d'autre part, brasée sur le bord libre du collet d'arrivée en cuivre 114. La couronne d'arrivée 112 comporte un conduit 120 débouchant dans le compartiment d'arrivée C1 pour assurer l'arrivée de fluide Fd de refroidissement dans le circuit de refroidissement C1 , Ch, C2. En outre, le compartiment de sortie C2 est fermé, du côté opposé à la chicane Ch, par une couronne de sortie 122 en acier inoxydable, d'axe colinéaire avec l'axe ZZ', solidaire du collet 104 de plus grand diamètre et de la couronne d'arrivée 112. La couronne de sortie 122 comporte un conduit 126 débouchant dans le compartiment de sortie C2 pour assurer la sortie du fluide de refroidissement du circuit de refroidissement C1 , Ch, C2.
Le fluide de refroidissement, en circulant du compartiment d'arrivée C1 vers le compartiment de sortie C2 par la chicane Ch, refroidi les différents collets, ainsi que la partie du disque comprise entre les deux collets. Le disque en diamant étant très bon conducteur de la chaleur, cette zone de refroidissement comprise entre les collets suffit au refroidissement du disque 100.
La figure 7 montre une autre réalisation d'une fenêtre comportant un circuit de refroidissement sur chaque face du disque de la fenêtre. Un disque 130 comporte du côté d'une de ses deux faces principales 132 un premier circuit de refroidissement 134 identique au circuit de refroidissement de la figure 6 et du côté de l'autre face 136 du disque un second circuit 138 symétrique du premier circuit 134. Le premier circuit de refroidissement 134 aura les mêmes repères pour les mêmes éléments que ceux du circuit de la figure 6 avec l'indice « a » et ceux du second circuit 138 de refroidissement l'indice « b ».
Le disque 130 est alors refroidi par ses deux faces.
Une autre réalisation concerne un assemblage pour une fenêtre double disque. Ces types de fenêtres double disque sont de la même façon utilisées pour le tubes et les lignes de propagation hyperfréquences. Pour des raisons techniques les deux disques de diélectrique, doivent être très proches l'un de l'autre (distance Dr).
La figure 8 représente un tel assemblage comportant une première fenêtre 140 identique à la fenêtre de la figure 6 ayant un disque de séparation 145 et une seconde fenêtre142 symétrique à la première par rapport à un plan parallèle aux faces des disques des deux fenêtres, la seconde fenêtre ayant un autre disque de séparation 147.
Les deux fenêtres comportent chacune leur respectif circuit de refroidissement. Pour l'une des fenêtres 140 un circuit de refroidissement 144 du côté d'une des faces de son disque 145 et pour l'autre fenêtre 142 un autre circuit de refroidissement 146, symétrique du premier 144, du côté de l'autre face de son disque 147.
Un dispositif de pompage 150 effectue le vide dans un espace délimité schématiquement par la paroi 152 (en trait pointillé) comportant les deux disques 145, 147 de la fenêtre à double disque.
L'avantage d'une telle réalisation de la figure 8 formant une fenêtre double disque réside dans le fait que les deux disques 145, 147 peuvent être rapprochés autant que nécessaire sans être gênées par leurs respectifs circuits de refroidissement, ce qui permet obtenir des bandes passantes satisfaisantes du circuit de transmission hyperfréquences.
La forme des collets ou du circuit de refroidissement n'est pas limitative aux descriptions données en exemple. Pour des raisons d'encombrement ou d'efficacité, on peut faire varier la longueur des collets, leur espacement ainsi que leur forme. A cet effet, la figure 9 montre une autre réalisation de la fenêtre selon l'invention comportant un circuit de refroidissement 160 de même type que celui de la fenêtre de la figure 6.
Le circuit de refroidissement comporte un tube de séparation 161 cylindrique circulaire en acier inoxydable compris entre deux collets 162, 164 en cuivre, de diamètres différents, le tubes et les collets, coaxiaux à l'axe du ZZ' du disque, créant le compartiment d'arrivée C1 , le compartiment de sortie C2 et la chicane Ch permettant une circulation du fluide Fd d'un compartiment C1 à l'autre C2 à travers la chicane Ch. Le premier collet 162 est en forme de tube cylindrique circulaire, le second collet 164 entourant le premier est un tube en cuivre de forme tronconique, le bord de plus petit diamètre étant brasé sur le disquel 00.
Le compartiment d'arrivée C1 est fermé, du coté opposé à la chicane Ch, par une couronne d'arrivée 166 en acier inoxydable solidaire du tube de séparation 161 et par une couronne de fermeture 168 en cuivre brasée sur le bord libre du collet 162 de petit diamètre.
La couronne d'arrivée 166 comporte un conduit 168 débouchant dans le compartiment d'arrivée C1 pour assurer l'arrivée de fluide de refroidissement dans le circuit de refroidissement C1 , Ch, C2.
En outre, le compartiment de sortie C2 est fermé, du côté opposé à la chicane Ch, par une couronne de sortie 170 en acier inoxydable, d'axe colinéaire avec l'axe ZZ', solidaire du collet 164 tronconique et de la couronne d'arrivée 166. La couronne de sortie 166 comporte un conduit 172 débouchant dans le compartiment de sortie C2 pour assurer la sortie du fluide de refroidissement du circuit de refroidissement C1 , Ch, C2. Le procédé de brasage de la fenêtre hyperfréquence selon l'invention, permet de réaliser la brasure des collets sur le disque à des températures bien plus élevées que celles de l'état de l'art. On peut ainsi réaliser des fenêtres supportant des températures d'étuvage bien plus élevées de l'ordre de 500°C. La conséquence pour les dispositifs hyperfréquences utilisant de telles fenêtres est une diminution du temps d'étuvage et un gain de temps sur le conditionnement du tube.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'une fenêtre hyperfréquence (26, 50, 80) de séparation de milieux (32, 34) comportant un disque de séparation (36, 54, 81 , 90, 100, 130, 145, 147) transparent aux ondes électromagnétiques hyperfréquences et au moins un collet (42, 44, 52, 84, 102,104, 161 , 164) en forme de tube cylindrique circulaire brasé par un de ses bords sur une des deux faces (38, 40, 82, 83, 101 ,132, 136) du disque, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une étape consistant à déposer une couche mince de brasure active (86) sur le bord du collet destiné à être brasé sur une des deux faces du disque, puis à braser le tube sur le disque.
2. Procédé de fabrication d'une fenêtre hyperfréquence selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le bord du collet (52, 84, 102,104, 161 , 164) destiné à être brasé sur l'une des faces planes (38, 40, 82, 83, 101 ,132, 136) du disque a une génératrice proche d'une droite.
3. Procédé de fabrication d'une fenêtre hyperfréquence selon l'une des revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que : - dans une première étape, on réalise le collet (84) en forme de tube cylindrique circulaire d'épaisseur de paroi (e1) et diamètre du tube constants le long du tube ;
- dans une deuxième étape, on dépose sur la surface (85) d'un des bords du collet (84) destiné à être brasé sur le disque (81), une couche mince de brasure active (86), (de type Cusin 1ABA), fondant à une température élevée de l'ordre de 800°C ;
- dans une troisième étape, on applique le collet (84), par son bord comportant la brasure active (86), sur la surface (83) du disque à l'aide d'un outil de centrage (87) ; - dans une quatrième étape, on monte l'ensemble, disque (81), collet
(84) et brasure active (86) à une température de l'ordre de 800°C, en appliquant une force F pour compresser le cordon de brasure active (86) entre le bord du collet et la surface du disque, pour réaliser le brasage du collet sur le disque, puis on refroidit la fenêtre à la température ambiante.
4. Procédé de fabrication d'une fenêtre hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dépôt de brasure active (86) sur la surface (85) d'un des bords du collet (84) destiné à être brasé sur le disque (80), est effectué par sérigraphie.
5. Fenêtre hyperfréquence de séparation de milieux (32, 34) comportant un disque de séparation (36, 54, 81 , 90, 100, 130, 145, 147) transparent aux ondes électromagnétiques hyperfréquences et au moins un collet (42, 44, 52, 84, 102,104, 161 , 164) en forme de tube cylindrique circulaire brasé par un de ses bords sur une des deux faces (38, 40, 82, 83, 101 ,132, 136) du disque, caractérisé en ce que le bord du collet destiné à être brasé sur l'une des surfaces planes du disque et sur lequel on dépose une couche mince de brasure active à une génératrice proche d'une droite.
6. Fenêtre hyperfréquence selon la revendication 5, caractérisée en ce que le bord d'un collet destiné à être brasé sur le disque a la même largeur que l'épaisseur (e1) de la paroi du tube.
7. Fenêtre hyperfréquence selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisée en ce qu'elle comporte deux collets (84, 85) en forme de tube cylindrique circulaire coaxiaux brasés sur le disque pour former un circuit de refroidissement du disque.
8. Fenêtre hyperfréquence selon la revendication 7, caractérisée en ce que le circuit de refroidissement comporte un tube de séparation (110) en acier inoxydable de diamètre compris entre les deux diamètres des collets en cuivre, le tube de séparation (110), d'axe de révolution colinéaire à l'axe ZZ' du disque, étant situé entre les deux collets (102, 104), le bord du tube de séparation du coté du disque (100) ayant à une distance D1 du disque créant avec les deux collets, un compartiment d'arrivée (C1 ) du côté du collet 102 de plus petit diamètre, un compartiment de sortie (C2) du côté du collet 104 de plus grand diamètre et une chicane (Ch) permettant une circulation d'un fluide Fd d'un compartiment (C1) à l'autre (C2) à travers la chicane (Ch).
9. Fenêtre hyperfréquence selon la revendication 8, caractérisée en ce que le compartiment d'arrivée (C1) est fermé, du côté opposé à la chicane (Ch), par une couronne d'arrivée (112) en acier inoxydable solidaire du tube __-. de séparation 110 et par un autre collet d'arrivée (114) en cuivre, en forme de tube d'axe colinéaire avec l'axe ZZ', brasé par une de ses extrémités sur le collet (102) de petit diamètre, le collet d'arrivée (114) comportant une couronne de fermeture (116) en cuivre, d'une part, solidaire de la couronne d'arrivée (112) et, d'autre part, brasée sur le bord libre du collet d'arrivée en cuivre (114), la couronne d'arrivée (112) comporte un conduit (120) débouchant dans le compartiment d'arrivée (C1) pour assurer l'arrivée de fluide de refroidissement dans le circuit de refroidissement (C1 , Ch, C2), le compartiment de sortie (C2) étant fermé, du côté opposé à la chicane (Ch), par une couronne de sortie (122) en acier inoxydable, d'axe colinéaire avec l'axe ZZ', solidaire du collet (104) de plus grand diamètre et de la couronne d'arrivée 112, la couronne de sortie (122) comportant un conduit (126) débouchant dans le compartiment de sortie (C2) pour assurer la sortie du fluide de refroidissement du circuit de refroidissement (C1 , Ch, C2).
10. Fenêtre hyperfréquence selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisée en ce qu'elle comporte un circuit de refroidissement comportant un tube de séparation (161) cylindrique circulaire en acier inoxydable compris entre deux collets (162, 164) en cuivre, de diamètres différents, le tubes et les collets, coaxiaux à l'axe du ZZ' du disque, créant le compartiment d'arrivée C1 , le compartiment de sortie C2 et la chicane Ch permettant une circulation du fluide Fd d'un compartiment C1 à l'autre C2 à travers la chicane Ch, le premier collet (162) est en forme de tube cylindrique circulaire, le second collet (164) entourant le premier étant un tube en cuivre de forme tronconique, le bord de plus petit diamètre étant brasé sur le disque (100), le compartiment d'arrivée (C1 ) étant fermé, du coté opposé à la chicane (Ch), par une couronne d'arrivée (166) en acier inoxydable solidaire du tube de séparation (161) et par une couronne de fermeture (168) en cuivre brasée sur le bord libre du collet (162) de petit diamètre, la couronne d'arrivée (166) comportant un conduit (168) débouchant dans le compartiment d'arrivée (C1 ) pour assurer l'arrivée de fluide de refroidissement dans le circuit de refroidissement (C1 , Ch, C2), le compartiment de sortie (C2) étant fermé, du côté opposé à la chicane (Ch,) par une couronne de sortie (170) en acier inoxydable, d'axe colinéaire avec l'axe ZZ', solidaire du collet (164) tronconique et de la couronne d'arrivée (166), la couronne de sortie (166) comportant un conduit (172) débouchant dans le compartiment de sortie (C2) pour assurer la sortie du fluide de refroidissement du circuit de refroidissement (C1 , Ch, C2).
11. Fenêtre hyperfréquence double disque caractérisée en ce qu'elle comportant une première fenêtre (140) ayant un disque de séparation (145) et une seconde fenêtre (142), symétrique à la première, ayant un autre disque de séparation (147), selon l'une des revendications 5 à 10, les première et secondes fenêtres étant symétriques par rapport à un plan parallèle aux faces des disques des deux fenêtres, les deux fenêtres comportant chacune leur respectif circuit de refroidissement, pour l'une des fenêtres (140) un circuit de refroidissement (144) du côté d'une des faces de son disque (145) et pour l'autre fenêtre (142) un autre circuit de refroidissement (146), symétrique du premier (144), du côté de l'autre face de son disque (147), un dispositif de pompage 150 effectuant le vide dans un espace délimité par une paroi (152), comportant les deux disques (145, 147) de la fenêtre à double disque.
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