FR2625063A1

FR2625063A1 - ULTRASONIC TRANSDUCER

Info

Publication number: FR2625063A1
Application number: FR8816934A
Authority: FR
Inventors: Geoffrey Hugh Broomfield; Michael John White
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1987-12-22
Filing date: 1988-12-21
Publication date: 1989-06-23
Also published as: GB2214031A; GB2214031B; GB8729854D0

Abstract

L'invention concerne un transducteur ultrasonore. Elle se rapporte à un transducteur qui peut être utilisé jusqu'à une température d'environ 600 degre(s)C. Le transducteur comporte un boîtier 12 d'acier inoxydable contenant un élément piézoélectrique 18 de niobiate de lithium et une matière de support sous forme d'une poudre 38 qui empêche la détérioration de l'élément 18 par perte d'oxygène ou par contamination. La poudre peut être formée de niobiate de lithium. Application aux capteurs utilisés dans les réacteurs à neutrons rapides.The invention relates to an ultrasonic transducer. It relates to a transducer which can be used up to a temperature of about 600 degree (s) C. The transducer includes a stainless steel housing 12 containing a lithium niobate piezoelectric element 18 and a powdered support material 38 which prevents deterioration of the element 18 through loss of oxygen or contamination. The powder can be formed from lithium niobate. Application to sensors used in fast neutron reactors.

Description

La présente invention concerne un transducteurThe present invention relates to a transducer

ultrasonore qui peut être utilisé en présence de tempéra- ultrasound which can be used in the presence of

tures élevées (pouvant atteindre 600 C environ), à la fois high temperatures (up to about 600 C), both

comme émetteur et comme récepteur d'ondes ultrasonores. as a transmitter and as an ultrasonic wave receiver.

On a déjà suggéré que le niobiate de lithium pouvait It has already been suggested that lithium niobiate could

être utile comme matériau piézoélectrique dans un transduc- to be useful as a piezoelectric material in a transduc-

teur ultrasonore destiné à être utilisé à des températures supérieures à 300 C. Un tel transducteur ultrasonore peut être utilisé par exemple dans un réacteur à neutrons rapides refroidi par du sodium liquide. Cependant, on sait que le niobiate de lithium est chimiquement instable à ces Ultrasonic transducer for use at temperatures above 300 C. Such an ultrasonic transducer may be used for example in a fast neutron reactor cooled by liquid sodium. However, it is known that lithium niobiate is chemically unstable at these

températures auxquelles il perd de l'oxygène, sa conducti- temperatures at which it loses oxygen, its conductivity

vité augmentant simultanément si bien que son efficacité comme transducteur diminue. Il est souhaitable, dans une utilisation à l'intérieur d'un réacteur nucléaire, que les effets du rayonnement sur un transducteur soient réduits au minimum par défaut d'utilisation de matières plastiques qui ont tendance à être dégradées par le rayonnement gamma et, increasing its efficiency so that its efficiency as a transducer decreases. It is desirable, in use within a nuclear reactor, that the effects of radiation on a transducer are minimized by the lack of use of plastics which tend to be degraded by gamma radiation and,

si le transducteur est exposé à un flux important de neu- if the transducer is exposed to a large flow of neu-

trons thermiques, par utilisation de niobiate de lithium ayant une très petite proportion de l'isotope de lithium-6 qui a une section élevée pour la réaction (n, a) lors d'une thermal trenches, using lithium niobiate having a very small proportion of the lithium-6 isotope which has a high section for the reaction (n, a) at a

irradiation par le neutrons thermiques. irradiation by thermal neutrons.

La présente invention concerne un transducteur The present invention relates to a transducer

ultrasonore comprenant un élément piézoélectrique de nio- ultrasound system comprising a piezoelectric element of

biate de lithium, et un matériau de support adjacent à une première face de l'élément, le matériau de support étant constitué d'une poudre contenant un matériau qui donne une pression partielle d'oxygène suffisante à proximité de l'élément pour que la perte d'oxygène par l'élément soit évitée. lithium biate, and a support material adjacent to a first face of the element, the support material consisting of a powder containing a material which gives a sufficient oxygen partial pressure in the vicinity of the element so that the loss of oxygen by the element is avoided.

De préférence, le transducteur comporte une enve- Preferably, the transducer comprises an enve-

loppe d'acier inoxydable destinée à loger un élément piézo- stainless steel loppe for housing a piezoelectric element

électrique, et un dispositif destiné à comprimer le maté- electric device, and a device for compressing the material

riau de support en contact intime avec l'élément-piézoélec- support material in intimate contact with the piezoelectric element

trique. La poudre est formée de préférence de particules de dimensions inférieures à 90 pm environ, et le matériau de cudgel. The powder is preferably formed of particles having dimensions of less than about 90 μm, and the material of

support est du niobiate de lithium en poudre. Il est pos- support is lithium niobium powder. It is pos-

sible d'utiliser à la place de la magnésie, bien qu'elle ne donne que l'oxygène physiquement adsorbé aux surfaces des particules. Le matériau de support a deux effets. Il a une impé- dance acoustique analogue à celle de l'élément si bien It is possible to use instead of magnesia, although it only gives the oxygen physically adsorbed to the surfaces of the particles. The support material has two effects. It has an acoustic impedance analogous to that of the element so well

qu'il absorbe les signaux ultrasonores provenant de l'élé- that it absorbs the ultrasonic signals coming from the

ment et, étant donné le grand nombre d'interfaces des par- and given the large number of interfaces of the

ticules, ces signaux sont atténués. En conséquence, le temps pendant lequel l'élément oscille après avoir été excité est réduit, de même que la durée de l'impulsion émise par le transducteur. De même, la largeur de bande d'émission et de réception des signaux ultrasonores est accrue. Deuxièmement, ce matériau réduit au minimum les modifications chimiques de l'élément. La poudre constitue une barrière physique entre l'enveloppe et l'élément et réduit au minimum la diffusion des éléments métalliques de l'enveloppe vers l'élément. La mise à disposition d'oxygène en plus de celui qui est disponible à partir du gaz entouré et de l'élément, et le maintien de la pression partielle de particles, these signals are attenuated. As a result, the time during which the element oscillates after being excited is reduced, as is the duration of the pulse emitted by the transducer. Likewise, the transmit and receive bandwidth of the ultrasonic signals is increased. Second, this material minimizes chemical changes to the element. The powder constitutes a physical barrier between the envelope and the element and minimizes the diffusion of metal elements from the envelope to the element. The provision of oxygen in addition to that which is available from the gas surrounded and the element, and the maintenance of the partial pressure of

l'oxygèhe dans l'enveloppe à une valeur convenable, permet- the oxygen in the envelope to a suitable value,

tent la réduction au minimum des pertes d'oxygène de l'élé- attempt to minimize oxygen loss from the

ment piézoélectrique. Il faut noter que, à des températures élevées, l'acier inoxydable a tendance à jouer le rôle d'un matériau de piégeage d'oxygène gazeux éventuellement piezoelectric effect. It should be noted that, at elevated temperatures, stainless steel tends to act as a possible oxygen scavenging material.

présent, avec formation d'une couche d'un oxyde. present, with formation of a layer of an oxide.

D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- Other features and advantages of the invention

tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, tion will become more apparent from the following description,

faite en référence aux dessins annexés sur lequel: with reference to the accompanying drawings in which:

la figure 1 est une coupe d'un transducteur ultraso- FIG. 1 is a section of an ultrasound transducer

nore; et la figure 2 représente graphiquement des signaux nore; and FIG. 2 graphically represents signals

obtenus avec le transducteur de la figure 1. obtained with the transducer of FIG.

On se réfère à la figure 1; un transducteur ultra- Referring to Figure 1; an ultrasonic transducer

sonore 10 comporte une enveloppe cylindrique tubulaire 12 d'acier inoxydable ayant des flasques à chaque extrémité, et une plaque circulaire supérieure 14 d'acier inoxydable 10 comprises a tubular cylindrical tubular envelope 12 of stainless steel having flanges at each end, and a top circular plate 14 of stainless steel

et une plaque inférieure 16 sont soudées à ces flasques. and a lower plate 16 are welded to these flanges.

Un élément piézoélectrique 18 de niobiate de lithium à taille Z ayant une fréquence nominale de 4 MHz est fixé à une mince partie centrale 20 de diaphragme de la plaque inférieure 16 qui a une épaisseur égale à la moitié de la longueur d'onde à la fréquence nominale, par brasage sous vide à l'aide d'une brasure d'eutectique cuivre-argent (qui A z-sized lithium niobiate piezoelectric element 18 having a nominal frequency of 4 MHz is attached to a thin central diaphragm portion 20 of the lower plate 16 which is half the wavelength at frequency nominal, by vacuum brazing using a copper-silver eutectic solder (which

peut avoir une âme de titane lors d'une utilisation à tem- may have a titanium core when used temporarily.

pérature élevée) chauffée juste au-dessus de sa température de liquidus. L'élément 18 est alors revêtu à sa face arrière (supérieure sur la figure) d'argent par revêtement sous forme d'une pâte de cuisson contenant de l'argent (telle que la pâte A 3600 disponible auprès de Johnson high temperature) heated just above its liquidus temperature. The element 18 is then coated on its rear face (top in the figure) with silver coating in the form of a cooking paste containing silver (such as paste A 3600 available from Johnson

Matthey Chemicals Ltd., Royston, Angleterre), la pâte pou- Matthey Chemicals Ltd., Royston, England), pulp

vant sécher et étant ensuite cuite à 540 C pendant 20 min. Dans une variante, l'élément 18 peut être fixé à la partie de diaphragme par liaison par diffusion, par revêtement à la fois de la face inférieure de l'élément 18 et de la face supérieure de la partie 20 de diaphragme avec de l'argent comme décrit précédemment, puis par montage et before drying and then being cooked at 540 C for 20 min. Alternatively, the member 18 may be attached to the diaphragm portion by diffusion bonding, by coating both the lower face of the member 18 and the upper face of the diaphragm portion with money as described previously, then by montage and

cuisson à nouveau à 540 C avec compression mutuelle pen- cooking again at 540 C with mutual compression

dant plusieurs heures.several hours.

La plaque supérieure 14 a une saillie tubulaire 22 The upper plate 14 has a tubular projection 22

qui est disposée à la fois vers l'intérieur et vers l'ex- which is disposed both inward and outward

térieur du boitier 12. Un câble coaxial 22 à isolant formé inside the housing 12. A coaxial cable 22 with formed insulation

de magnésie et gainé d'acier inoxydable passe dans la sail- of magnesia and sheathed in stainless steel goes into the

lie 22 et est brasé sur celle-ci. Le câble 24 a un conduc- 22 and is brazed on it. Cable 24 has a lead

teur 26 de "Nichrome" qui est en contact électrique avec la face supérieure de l'élément piézoélectrique 18 par l'intermédiaire d'un ressort 28 de "Nimonic" 90 revêtu d'argent, le conducteur 26 et le ressort 28 étant reliés a "Nichrome" 26 which is in electrical contact with the upper face of the piezoelectric element 18 via a silver coated "Nimonic" spring 90, the conductor 26 and the spring 28 being connected together;

par une bague sertie 30 d'acier inoxydable. by a set ring 30 of stainless steel.

Dans l'espace annulaire compris entre la saillie 22 et le boîtier 12, deux plaques de pression 32 d'acier In the annular space between the projection 22 and the housing 12, two pressure plates 32 of steel

inoxydable sont disposées et sont séparées par quatre res- are arranged and are separated by four

sorts 34 en forme de disques constitués de "Nimonic" 90. spells 34 in the form of discs made of "Nimonic" 90.

Trois vis régulièrement réparties 36 (une seule est repré- Three regularly distributed screws 36 (only one is

sentée) passant dans des trous taraudés formés dans la plaque supérieure 14 permettent un réglage de la position de la plaque supérieure 32 de pression. L'espace formé sous la plaque inférieure 32 de pression dans le boitier 12 est totalement rempli de poudre de niobiate de lithium 38, classée afin qu'elle passe par un tamis à orifices de pm. La poudre 38 est comprimée après montage par la pression qui est exercée sur elle par la plaque inférieure felt) passing through tapped holes formed in the top plate 14 allow adjustment of the position of the upper pressure plate 32. The space formed under the lower pressure plate 32 in the housing 12 is completely filled with lithium niobate powder 38, classified so that it passes through a sieve with apertures of pm. The powder 38 is compressed after mounting by the pressure exerted on it by the lower plate

32 de montage, à la suite du serrage des trois vis 36. 32 mounting, following the tightening of the three screws 36.

Lorsque le transducteur 10 de la figure 1 doit être utilisé en étant immergé dans un liquide tel que du sodium liquide, un capuchon d'acier inoxydable (non représenté) When the transducer 10 of FIG. 1 is to be used immersed in a liquid such as liquid sodium, a stainless steel cap (not shown)

est avantageusement soudé à l'extrémité externe de la sail- is advantageously welded to the outer end of the sail-

lie 22 et à la périphérie externe de la plaque supérieure 22 and the outer periphery of the upper plate

14, le câble 24 sortant par le capuchon. Ceci empêche l'ex- 14, the cable 24 coming out through the cap. This prevents the ex

position des vis 36 au liquide.position of the screws 36 to the liquid.

On se réfère à la figure 2 qui représente graphique- Referring to Figure 2 which represents graph-

ment le signal réfléchi, détecté par le transducteur 10 de the reflected signal detected by the transducer 10 of

la figure 1 lorsqu'il est immergé dans de l'eau, un réflec- Figure 1 when immersed in water, a reflection of

teur de laiton de 20 mm de diamètre étant placé à 55 mm de la surface externe de la partie 20 de diaphragme. La courbe A représente le signal détecté par le transducteur 10 comme 20 mm diameter brass nozzle being placed 55 mm from the outer surface of the diaphragm portion. Curve A represents the signal detected by the transducer 10 as

décrit précédemment, avec la poudre 38 de support de nio- described above, with the support powder 38 of

biate de lithium alors que la courbe B représente le signal détecté par un transducteur différent de celui de la figure lithium biate while the curve B represents the signal detected by a transducer different from that of FIG.

1 uniquement en ce qu'aucune poudre de support n'est pré- 1 only in that no carrier powder is pre-

sente, l'espace compris entre là plaque inférieure 32 et l'élément piézoélectrique 18 étant vide. Il faut noter que l'effet de la poudre 38 de support est de raccourcir la durée efficace des impulsions par réduction de l'amplitude du signal après une impulsion initiale dont la durée est the space between the bottom plate 32 and the piezoelectric element 18 being empty. It should be noted that the effect of the support powder 38 is to shorten the effective duration of the pulses by reducing the amplitude of the signal after an initial pulse whose duration is

d'environ 10,50 ps.about 10.50 ps.

Claims

Ultrasonic transducer (10), of the type which

takes a piezoelectric element (18) of lithium niobium, and a support material adjacent to a face of the element, characterized in that the support material is formed of a powder (38) of a material which creates a sufficient partial pressure of oxygen near the element

(18) so that the element (18) does not lose oxygen.

2. Transducer according to claim 1, comprising an envelope (12, 14, 16) of the piezoelectric element (18), and characterized by a device (32, 34, 36) for compressing the support material (38) in contact. respondent

with the piezoelectric element (18).

3. Transducer according to claim 2, characterized

characterized in that the compression device comprises an elastic device (34) for applying a force to the support material (38), and an adjusting device (36)

of this force.

4. Transducer according to any one of the

preceding cations, characterized in that the powder (38) is formed of particles of dimensions less than about 90 .mu.m.

5. Transducer according to any of the claims

cations, characterized in that the powder (38)

support material is lithium niobiate.