FR2512623A1 - Procede de fusion et/ou d'evaporation pulsee d'un materiau solide - Google Patents

Procede de fusion et/ou d'evaporation pulsee d'un materiau solide Download PDF

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Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN PROCEDE DE FUSION ETOU D'EVAPORATION PULSEE D'UN MATERIAU SOLIDE. CE PROCEDE SE CARACTERISE EN CE QUE L'ON SOUMET LOCALEMENT LE MATERIAU SOLIDE 2, PLACE DANS UNE ENCEINTE A VIDE 4, A L'ACTION D'UN PLASMA CHAUD PULSE D'ELECTRONS 6, CONFINE DANS LADITE ENCEINTE, LE PLASMA D'ELECTRONS ETANT OBTENU PAR L'ACTION CONJUGUEE D'UN CHAMP ELECTROMAGNETIQUE DE HAUTE FREQUENCE, ETABLI DANS LADITE ENCEINTE 4 ET D'UN CHAMP MAGNETIQUE DONT L'AMPLITUDE EST TELLE QUE LES ELECTRONS SOIENT FORTEMENT ACCELERES PAR RESONANCE CYCLOTRONIQUE ELECTRONIQUE, LE PLASMA D'ELECTRONS ETANT TEL QUE L'ENERGIE APPORTEE PAR LES ELECTRONS SUR LE MATERIAU 2 SOIT SUFFISANTE POUR FONDRE ETOU EVAPORER LOCALEMENT LEDIT MATERIAU.

Description

L'invention a pour objet un procédé de fusion et/ou d'évaporation pulsée d'un matériau solide.
Elle permet notamment de sublimer et de fondre des métaux, des métalloldes, ou des matériaux composés solides.
On sait que pour sublimer ou fondre des matériaux, ceux-ci doivent être chauffés, c'est-à-dire que l'on doit apporter à leur surface une certaine quantité d'énergie, généralement, comprise entre 1 et quelques centaines de kilojoules par mole.
Dans certains cas, l'évaporation d'un matériau peut être réalisée en phase solide, c'est-à-dire juste avant la fusion complète du matériau ; dans d'autres cas, cette évaporation ne peut se faire qu'en présence de la phase liquide du matériau. Dans ce dernier cas, la liquéfaction du matériau nécessite l'emploi d'un creuset réfractaire dans lequel est placé le matériau à fondre. On constate que, généralement, la fusion du matériau dans un creuset entrain la formation de composés indésirables obtenus par reaction chimique entre le matériau fondu et le matériau constituant le creuset. Ceci peut etre très génant lorsque l'on désire obtenir un matériau fondu ou sublimé à l'état pur.
Une autre méthode consiste à bombarder par un faisceau intense le matériau à fondre ou à sublimer. Ceci peut être réalisé au moyen d'un faisceau de particules telles que des électrons ou bien au moyen d'un faisceau laser pulsé. Cette autre méthode permet de fondre ou sublimer localement le matériau, c'est-à- dire à l'endroit même où le faisceau frappe la surface du matériau, par création d'un cratere rempli de la phase liquide du matériau. Cette phase liquide sous l'impact du faisceau peut s'échauffer encore jusqu'à ce que l'on obtienne localement une évaporation abondante dudit matériau. Les zones du matériau non soumises au bombardement restent à l'état solide. Cette méthode, bien qu'elle permette d'éviter l'emploi d'un creuset réfractaire présente un inconvénient majeur.
En effet, le rendement électrique de cette méthode, lorsque l'on utilise un faisceau laser pulsé est très inférieur à 1%, ce qui peut être génant, lorsque l'on désire utiliser de façon industrielle cette méthode. En revanche, l'utilisation d'un faisceau laser permet d'apporter sur la surface du matériau à fondre ou à sublimer une énergie utile de 1 joule pour une surface de 0,01 mm2 en utilisant 10 impulsions lumineuses.
En ce qui concenre l'utilisation d'un faisceau de particules telles que des électrons, bien que le rendement électrique soit nettement supérieur à celui d'un laser, en général voisin de 50%, il est nécessaire dtutiliser un faisceau d'électrons fonctionnant en régime continu pour obtenir une quantité d'énergie apportée sur la surface du matériau identique à celle apportée par 10 impulsions laser. Ceci ne permet donc pas la fusion et/ou l'évaporation pulsée d'un matériau solide.
La présente invention a justement pour objet un procédé de fusion et/ou d'évaporation pulsée d'un matériau solide, permettant de remédier à ces inconvénients. Elle permet notamment de fondre et de sublimer de manière pulsée un matériau avec un rendement électrique voisin de 50%.
De façon plus précise, l'invention a pour objet un procédé de fusion et/ou d'évaporation pulsée d'un matériau solide, se caractérisant en ce que l'on soumet localement le matériau solide, placé dans une enceinte à vide, à l'action d'un plasma chaud pulsé d'électrons, confiné dans ladite enceinte, le plasma d'électrons étant obtenu par l'action conjuguée d'un champ électromagnétique de haute fréquence, établi dans ladite enceinte, et d'un champ magnétique dont l'amplitude est telle que les électrons soient fortement accélérés par résonance cyclotronique électronique, le plasma d'électrons étant tel que l'énergie apportée par les électrons sur le matériau soit suffisante pour fondre et/ou évaporer localement ledit matériau.
Selon une autre caractéristique importante du procédé de l'invention, l'énergie apportée par le plasma d'électrons sur le matériau, pour une surface de 0,01 millimètre carré, est supérieure à 1 joule pour une seule impulsion.
Ce procédé permet donc d'apporter sur le matériau une énergie supérieure à 1 joule sur une surface de 0,01 millimètre carré pour une seule impulsion ce qui est semblable à ce que l'on obtient avec dix impulsions laser. De plus, le rendement électrique du procédé de l'invention est voisin de celui obtenu par un faisceau continu d'électrons, c'est-à-dire voisin de 50%.
Selon un mode préféré de mise en oeuvre du procédé de l'invention, on déplace, dans l'enceinte, ledit matériau de façon qu'il intercepte le plasma d'électrons.
Selon un autre mode préféré de mise en oeuvre du procédé de l'invention, le matériau étant placé dans un endroit donné de l'enceinte, on effectue, en provenance du plasma d'électrons une fuite d'énergie pulsée, dirigée vers le matériau.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux de la description qui suit, donnée à titre explicatif mais nullement limitatif en référence aux figures annexées, dans lesquelles - la figure 1 représente, schématiquement1 un disposi
tif permettant la mise en oeuvre du procédé de l'in
vention selon une première variante ; et - la figure 2 représente, schématiquement, un disposi
tif permettant la mise en oeuvre du procédé de l'in
vention selon une seconde variante.
En se référant aux figures 1 et 2, la fusion et/ou l'évaporation pulsée d'un matériau solide, conformément à l'invention, se fait en soumettant un échantillon 2 dudit matériau, placé dans une enceinte à vide 4, à l'action d'un plasma chaud pulsé d'électrons confiné dans ladite enceinte. L'espace de confinement du plasma chaud, dans l'enceinte à vide, a été schématisé par une ellipse hachurée portant la référence 6. Le gaz servant à la formation du plasma chaud peut etre injecté dans l'enceinte par des conduites telles-que 8 ou 10.
Ce plasma chaud est obtenu par l'action conjuguée d'un champ électromagnétique, injecté dans l'enceinte 4 ou cavité hyperfréquence par exemple au moyen de guides d'ondes tels que 12 -et d'un champ magnétique régnant tout autour de l'enceinte. Le champ magnétique créé par tout moyen connu, ~schématisé en trait mixte et portant la référence 14, doit etre tel que les électrons du plasma soient fortement accélérés par résonance cyclotronique électronique. Un exemple de moyen 14, permettant la création d'un tel champ magnétique, a été décrit dans la demande de brevet français nO 80 03153 déposée le 13 février 1980 par le demandeur et intitulée "Procédé et dispositif de pro duction d'ions lourds fortement chargés et une application mettant en oeuvre le procédé1,.
En interceptant de façon impulsionnelle l'espace de confinement 6 du plasma, pendant un temps au moins égal au temps de vie des électrons dudit plasma, par un échantillon 2 d'au moins 0,01 mira2 de surface (diamètre de l'échantillon voisin du rayon de
Larmor), la majeure partie de l'énergie, contenue dans le plasma sous forme d'énergie cinétique des électrons, peut être apportée à la surface de l'échantillon car tous les électrons contenus dans le plasma ont de fortes chances de rencontrer ledit échantillon.
Dans le cas très réaliste d'une cavité hyperfréquence fournissant une puissance hyperfréquence moyenne de 10 K.W, de l'utilisation d'une fréquence cyclotronique de 18 G.Hz et de l'utilisation d'un champ magnétique compris entre 0,6 et 0,8 T, le temps de vie des électrons, donc de 1 l'énergie contenue dans le plasma, étant de l'ordre de 10-3 sec., l'énergie disponible, et donc apportée à la surface de l'échantillon, est voisine de 10 joules pour une surface de 0,01 mm2. Cette énergie est largement suffisante pour fondre et/ou évaporer localement le matériau. Dans cet exemple, l'énergie apportée à la surface de l'échantillon est supérieure à celle apportée par 10 impulsions laser.
L'interception de façon impulsionnelle de l'espace de confinement 6 du plasma par l'échantillon 2 peut être effectuée, soit en déplaçant dans l'enceinte l'échantillon 2 par tout moyen connu, schématisé en 16 sur la figure 1, soit en effectuant en provenance du plasma une fuite d'énergie pulsée, dirigee vers l'échantillon maintenu fixe par tout moyen classique. Cette fuite d'énergie peut être effectuée, com- me représenté sur la figure 2, par exemple par une perturbation locale du champ magnétique produite par la rotation d'un aimant 2û. Afin que les électrons déviés par le dispositif 20 puissent rencontrer l'échantillon, ce dernier doit être placé à proximité de ladite pertubation. Bien entendu, tout autre moyen pour créer une fuite d'énergie pulsée peut etre envisage.

Claims (4)

REVENDICATIONS
1. Procédé de fusion et/ou d'évaporation pulsée d'un matériau solide, caractérisé en ce que l'on soumet localement le matériau solide (2), placé dans une enceinte à vide (4), à l'action d'un plasma chaud pulsé d'électrons (6), confiné dans ladite enceinte, le plasma d'électrons étant obtenu par l'action conjuguée d'un champ électromagnétique de haute fréquence, établi dans ladite enceinte (4), et d'un champ magnétique dont l'amplitude est telle que les électrons soient fortement accélérés par résonance cyclotronique électronique, le plasma d'électrons étant tel que l'énergie apportée par les électrons sur le matériau (2) soit suffisante pour fondre et/ou évaporer localement ledit matériau.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on déplace, dans l'enceinte (4) ledit matériau (2) de- façon qu'il intercepte le plasma d'électrons(6).
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le matériau (2) étant placé dans un endroit donné de l'enceinte (4X, on effectue, en provenance du plasma d'électrons une fuite d'énergie pulsée dirigée vers le matériau.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'énergie apportée par le plasma d'électrons sur le matériau, pour une surface de 0,01 millimètre carré, est supérieure à 1 joule pour une seule impulsion.
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