FR2821487A1 - Fenetre hyperfrequence en ceramique - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne les fenêtres hyperfréquences servant à assurer l'étanchéité au vide et le passage de l'énergie électromagnétique en sortie d'un tube hyperfréquence de puissance.La fenêtre comporte un disque diélectrique (30) et une bague de précontrainte (40), placée autour de la périphérie du disque, exerce au repos une contrainte de compression radiale tout autour du disque. En pratique, le disque est brasé à l'intérieur d'une jupe métallique (10), et la bague de précontrainte (40) est une portion annulaire d'un bloc de maintien (20) servant à fixer rigidement la fenêtre hyperfréquence sur une sortie du tube hyperfréquence. La portion annulaire a une épaisseur renforcée et appuie localement sur la jupe (10) autour du disque. Le disque peut être en alumine, la jupe métallique en cuivre, et le bloc de maintien en inox.La résistance de la fenêtre aux contraintes thermiques en est considérablement améliorée. Application aux fenêtres de sortie de tubes à vide d'amplification (TOP, klystrons, etc... ) de puissance élevée.
Description
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FENÊTRE HYPERFREQUENCE
EN CERAMIQUE
L'invention concerne les fenêtres hyperfréquence étanches au vide, utilisées en principe à la sortie d'un tube électronique de puissance pour transmettre une énergie électromagnétique hyperfréquence entre l'intérieur du tube (sous vide poussé) et l'extérieur (en ambiance atmosphérique par exemple).
EN CERAMIQUE
L'invention concerne les fenêtres hyperfréquence étanches au vide, utilisées en principe à la sortie d'un tube électronique de puissance pour transmettre une énergie électromagnétique hyperfréquence entre l'intérieur du tube (sous vide poussé) et l'extérieur (en ambiance atmosphérique par exemple).
Le tube peut être notamment un amplificateur tel qu'un tube à ondes progressives (TOP en français, TWT en anglais pour"travelling wave tube"), ou un klystron par exemple. Ce peut être aussi un oscillateur (magnétron, etc...). Typiquement, on souhaite envoyer l'énergie amplifiée à l'intérieur du tube vers un guide d'onde qui contient de l'air. La fenêtre hyperfréquence assure le passage libre, au moins dans une bande de fréquences donnée, de l'énergie électromagnétique vers le guide d'onde tout en maintenant l'étanchéité du vide à l'intérieur du tube.
Classiquement, les fenêtres comprennent un disque plat en diélectrique isolant, à travers lequel passe l'énergie électromagnétique. Le plus souvent, ce disque est en alumine ou une autre céramique ayant non seulement de très bonnes propriétés diélectriques mais aussi une bonne conductivité thermique et une bonne résistance aux hautes températures et aux forts gradients de température. En effet, pour des tubes de forte
puissance et fonctionnant avec des champs électriques élevés, le passage de l'énergie engendre des pertes dans le diélectrique, donc un échauffement important. Les tubes concernés ici peuvent fournir des puissances de plusieurs dizaines de kilowatts. Le disque diélectrique peut avoir typiquement des dimensions d'une dizaine de centimètres de diamètre pour une épaisseur de 1 millimètre à quelques millimètres.
puissance et fonctionnant avec des champs électriques élevés, le passage de l'énergie engendre des pertes dans le diélectrique, donc un échauffement important. Les tubes concernés ici peuvent fournir des puissances de plusieurs dizaines de kilowatts. Le disque diélectrique peut avoir typiquement des dimensions d'une dizaine de centimètres de diamètre pour une épaisseur de 1 millimètre à quelques millimètres.
Pour réaliser l'étanchéité, le disque diélectrique est brasé sur toute sa périphérie contre la surface intérieure d'une jupe cylindrique métallique (généralement en cuivre) qui l'entoure.
Dans une réalisation précédente, visible à la figure 1, la jupe cylindrique 10 est elle-même entourée par un bloc de maintien 20, par exemple en inox, qui sert de support pour fixer le disque diélectrique 30 et sa jupe 10 entre le tube de puissance et un guide d'onde. Le disque diélectrique 30 est brasé à l'intérieur de la jupe. Le bloc de maintien 20 peut servir à la
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fois de radiateur et de transition entre le tube et le guide d'onde. Il comporte une partie inférieure 22 constituant le début du guide d'onde, avec une bride périphérique 24 servant à fixer le guide d'onde sur le bloc 20. La partie supérieure 26 du bloc 20 est cylindrique et elle entoure la jupe cylindrique 10. Elle est destinée à être soudée ou brasée autour d'une ouverture de sortie du tube de puissance (non représentée). Le bas et le haut de la jupe sont brasés à l'intérieur du bloc de maintien 20.
Les brasures entre le disque diélectrique et la jupe, ainsi que les brasures entre la jupe et le bloc de maintien participent au maintien de l'étanchéité au vide.
Les contraintes thermiques en fonctionnement peuvent être très importantes compte tenu de la dissipation de puissance élevée qui se produit dans le disque diélectrique. La dissipation de puissance est généralement maximale vers le centre et plus faible sur les bords. Les qualités de conduction thermique de la céramique (l'alumine notamment) permettent
d'évacuer la chaleur radialement vers les bords ; la jupe de cuivre et le bloc de maintien en inox servent de radiateur. Malgré cette évacuation radiale de la chaleur, les contraintes thermiques sont très importantes. Elles sont aggravées par le fait que la répartition de la dissipation de puissance dans la fenêtre n'est pas forcément complètement radiale. Les contraintes peuvent engendrer des ruptures de la céramique, ou du cuivre, ou des diverses brasures qui assurent l'étanchéité au vide. Les défauts qui peuvent résulter de ces contraintes thermiques sont rédhibitoires pour le tube dès lors qu'ils entraînent une perte d'étanchéité au vide. C'est pourquoi on est limité dans le niveau de puissance susceptible de passer à travers la fenêtre au cours de l'utilisation du tube.
d'évacuer la chaleur radialement vers les bords ; la jupe de cuivre et le bloc de maintien en inox servent de radiateur. Malgré cette évacuation radiale de la chaleur, les contraintes thermiques sont très importantes. Elles sont aggravées par le fait que la répartition de la dissipation de puissance dans la fenêtre n'est pas forcément complètement radiale. Les contraintes peuvent engendrer des ruptures de la céramique, ou du cuivre, ou des diverses brasures qui assurent l'étanchéité au vide. Les défauts qui peuvent résulter de ces contraintes thermiques sont rédhibitoires pour le tube dès lors qu'ils entraînent une perte d'étanchéité au vide. C'est pourquoi on est limité dans le niveau de puissance susceptible de passer à travers la fenêtre au cours de l'utilisation du tube.
Un but de l'invention est de réaliser une fenêtre hyperfréquence ayant des capacités de tenue en puissance plus élevées que dans l'art antérieur, tout en conservant les avantages des fenêtres existantes.
Pour y parvenir on propose une fenêtre hyperfréquence comportant un disque diélectrique, qui est caractérisée par le fait qu'elle comporte une bague de précontrainte entourant la périphérie du disque et
exerçant au repos, sur toute la périphérie du disque, une contrainte de compression radiale dirigée vers le centre du disque. Dans la pratique, on prévoira de préférence une jupe métallique brasée autour du disque (comme
exerçant au repos, sur toute la périphérie du disque, une contrainte de compression radiale dirigée vers le centre du disque. Dans la pratique, on prévoira de préférence une jupe métallique brasée autour du disque (comme
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dans la technique antérieure), la bague de précontrainte entourant la jupe métallique autour de la périphérie du disque diélectrique.
De préférence, la bague de précontrainte est constituée par une portion annulaire d'un bloc de maintien servant à fixer la fenêtre sur la sortie d'un tube hyperfréquence, cette portion annulaire appuyant localement sur une surface extérieure de la jupe tout autour de la périphérie du disque diélectrique. Le bloc de maintien est en un matériau beaucoup plus rigide que la jupe métallique.
Le bloc de maintien peut être en inox, la jupe étant en cuivre et le disque en alumine. L'épaisseur de la bague de précontrainte de compression peut être d'environ 2 ou 3 millimètres. Par exemple, si le bloc de maintien est en métal d'épaisseur 1 millilmètre environ, la bague de précontrainte peut être constituée par une surépaisseur (au total environ 3 millimètres) de métal.
L'élévation de température du disque diélectrique ne change pas par rapport à l'art antérieur, mais la résistance à la rupture est considérablement améliorée.
La précontrainte est de préférence de l'ordre de plusieurs dizaines de bars, ou plus.
L'invention concerne aussi un procédé de réalisation d'une fenêtre hyperfréquence. Le procédé consiste à placer un disque diélectrique à l'intérieur d'une jupe métallique, avec une matière de brasage, et avec un faible jeu entre la périphérie du disque et la jupe, à placer l'ensemble du disque et de la jupe à l'intérieur d'un bloc de maintien comportant une bague de précontrainte entourant la jupe sur toute la périphérie du disque, un faible jeu étant ménagé entre la bague et la jupe, à placer une frette de brasage autour de cette bague avec un faible jeu entre la frette et la bague, le matériau de la frette ayant un coefficient de dilatation plus faible que celui de la bague, à porter l'ensemble frette, bague, jupe et disque à une température suffisante pour assurer le brasage du disque dans la jupe, et à laisser
refroidir, le refroidissement assurant une précontrainte en compression radiale de la bague sur la jupe et sur le disque.
refroidir, le refroidissement assurant une précontrainte en compression radiale de la bague sur la jupe et sur le disque.
La frette de brasage est ensuite retirée.
Au cours de la même opération de brasage, de préférence, le haut et le bas de la jupe sont brasés au bloc de maintien. Un cordon de brasure
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est donc placé aux endroits appropriés avant de passer l'ensemble dans le four de brasage.
De préférence, on interpose entre la bague de contrainte et la jupe métallique une substance de lubrification, de préférence du graphite, empêchant un frittage entre la bague et la jupe en cas d'élévation de température de la bague, par exemple lors des cycles d'étuvage du tube
hyperfréquence comportant la fenêtre. Ces cycles d'étuvage sont destinés à assurer le dégazage des différentes pièces du tube pendant qu'on fait un vide poussé à l'intérieur du tube. Un frittage entre la bague et la jupe, dû à la pression, au frottement et à la température, aboutirait à une rigidification de la liaison bague/jupe et à des risques de rupture d'étanchéité ultérieurs.
hyperfréquence comportant la fenêtre. Ces cycles d'étuvage sont destinés à assurer le dégazage des différentes pièces du tube pendant qu'on fait un vide poussé à l'intérieur du tube. Un frittage entre la bague et la jupe, dû à la pression, au frottement et à la température, aboutirait à une rigidification de la liaison bague/jupe et à des risques de rupture d'étanchéité ultérieurs.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1, déjà décrite, représente une fenêtre de l'art antérieur ; - la figure 2 représente une fenêtre selon l'invention ; - la figure 3 représente l'opération de brasage nécessaire à la réalisation de la fenêtre selon l'invention.
L'invention va être décrite à propos de la figure 2, dans un exemple correspondant à un perfectionnement de la fenêtre de la figure 1, c'est-à-dire dans un cas où une jupe métallique est interposée entre un bloc de maintien et le disque diélectrique, sans que cet exemple soit limitatif.
Dans ce cas, le bloc de maintien est en métal plus rigide que la jupe métallique et assure la rigidité de l'ensemble de la fenêtre.
Sur la figure 2, on retrouve les mêmes éléments que sur la figure 1. La bague de précontrainte selon l'invention fait dans ce cas partie intégrante du bloc de maintien 20 qui entoure la jupe 10. Cette bague est désignée par la référence 40. Elle est constituée pour plus de simplicité par un renforcement local de l'épaisseur du bloc de maintien. Elle pourrait aussi être indépendante du bloc.
Par exemple, le bloc de maintien comporte une partie centrale cylindrique entourant généralement la jupe métallique 10, et la bague est
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constituée par une zone localisée de cette partie cylindrique, cette zone ayant une épaisseur plus grande et étant située autour de la périphérie du disque diélectrique 30 Typiquement, pour un disque diélectrique de diamètre environ 8 à 10 centimètres et d'épaisseur 1 millimètre, la bague de précontrainte 40 peut avoir une épaisseur radiale d'environ 3 millimètres sur une hauteur de quelques millimètres. Par exemple, le bloc de maintien est réalisé en inox d'épaisseur généralement environ 1 millimètre autour de la jupe 10, et il comporte localement une surépaisseur (2 millimètres d'épaisseur en plus tout autour du disque 30)
Le diamètre intérieur du bloc de maintien, dans sa partie centrale cylindrique, est supérieur au diamètre extérieur de la jupe métallique, sauf à l'endroit de la bague de précontrainte 40 ; à cet endroit, le diamètre intérieur de la bague est égal à celui de la jupe métallique, la bague exerçant en
permanence une contrainte de compression sur la jupe 10 et, à travers la jupe, sur la périphérie du disque diélectrique 30. Dans l'exemple numérique indiqué ci-dessus, le diamètre intérieur de la partie centrale cylindrique du bloc de maintien 20 est d'environ 1 millimètre supérieur au diamètre extérieur de la jupe 10.
La jupe métallique est de préférence soudée ou brasée au bloc de maintien par sa partie supérieure d'une part, par sa partie inférieure d'autre part, le disque diélectrique étant située dans une partie centrale de la jupe 10.
La partie supérieure 26 du bloc de maintien est conformée de manière à pouvoir être soudée de manière étanche sur le tube de puissance, autour d'une ouverture de sortie de l'énergie électromagnétique. Le tube et
son ouverture de sortie ne sont pas représentés. De même, la partie inférieure du bloc 20 est conformée de manière à pouvoir être fixée (mais d'une manière pas forcément étanche) à un élément d'utilisation de la puissance de sortie du tube, par exemple un guide d'onde non représenté.
son ouverture de sortie ne sont pas représentés. De même, la partie inférieure du bloc 20 est conformée de manière à pouvoir être fixée (mais d'une manière pas forcément étanche) à un élément d'utilisation de la puissance de sortie du tube, par exemple un guide d'onde non représenté.
Une bride de fixation inférieure 24 peut être prévue à cet effet. La partie inférieure 22 du bloc de maintien 20 peut être usinée intérieurement pour constituer un guide d'onde de dimensions correspondant au guide d'onde sur lequel elle doit être fixée.
La bague de précontrainte 40 exerce une compression forte sur la périphérie de la jupe et du disque diélectrique et on interpose de préférence
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entre la bague et la jupe une fine couche d'une substance de lubrification, de préférence une fine couche de graphite, pour éviter toute solidarisation par frittage en cas d'élévation de température. On rappelle que le frittage est une interpénétration moléculaire de deux matériaux en présence de température et de pression suffisamment élevées. Ici, la présence d'une contrainte de compression assez forte (typiquement 100 bars) rend le risque de frittage non négligeable lors des échauffements. On rappelle aussi que les échauffements sont inévitables, soit pendant la fabrication (étuvage à plusieurs centaines de degrés du tube sur lequel est montée la fenêtre de sortie), soit en cours de fonctionnement à puissance élevée.
Pour la réalisation de la fenêtre selon l'invention, au lieu de procéder d'abord à une opération de brasage du disque diélectrique dans la jupe métallique avant de monter la jupe dans le bloc de maintien, on procède au montage du disque dans la jupe et au montage de la jupe dans le bloc de maintien, puis on passe l'ensemble dans un four de brasage en présence d'une frette de brasage serrée autour du bloc de maintien au niveau de la bague de précontrainte.
La figure 3 représente cette opération. La frette de brasage est une bague circulaire 50 dont le diamètre intérieur à froid est égal, à un faible jeu près, au diamètre extérieur à froid du bloc de maintien à l'endroit de la bague de précontrainte 40. La frette 50 est en un matériau rigide de coefficient de dilatation plus faible que celui du bloc de maintien (et de la jupe). Le disque diélectrique a également un coefficient de dilatation plus faible que celui du bloc de maintien et de la jupe.
Typiquement, la jupe est en cuivre, le bloc de maintien est en inox, et la frette est en molybdène, ou tungstène, ou même en alumine. Le coefficient de dilatation du molybdène est environ 3 fois plus faible que celui de l'inox et du cuivre. Le coefficient de dilatation de l'alumine est également beaucoup plus faible que celui du bloc de maintien (environ 3 fois).
Le disque diélectrique est mis en place dans la jupe avec un cordon de brasure périphérique 60. Un jeu existe entre entre le disque et la jupe. La brasure fondue pénétrera par mouillage dans l'interstice entre le disque et la jupe à la périphérie du disque. Le jeu à froid est tel que par la suite, à chaud, pendant l'opération de brasage, le jeu devienne très faible (de l'ordre de 0,1 millimètre, permettant cependant au matériau de brasure de
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pénétrer dans l'interstice entre disque et jupe. La jupe est placée dans le bloc de maintien avec un faible jeu à froid entre le bloc et la jupe à l'endroit de la bague 40 de précontrainte. L'intérieur de la bague 40 a été préalablement revêtu d'une substance de lubrification mentionnée ci-dessus (graphite en principe). Des cordons de brasure 62 et 64 sont mis en place en haut et en bas de la jupe 10. La frette en molybdène 50 est glissée à froid autour du bloc de maintien contenant la jupe métallique. La frette pourrait aussi être chauffée avant d'être mise en place autour du bloc de maintien froid. Elle est placée au niveau de la bague de précontrainte 40. Le jeu entre la frette et le bloc de maintien est faible pendant l'introduction (en principe à froid) de la frette autour du bloc. Ce jeu devient nul pendant l'opération de brasage.
L'ensemble est chauffé jusqu'à la température nécessaire à l'opération de brasage. Les cordons de brasure fondent. Le disque, la jupe, le bloc de maintien, et la frette se dilatent. Cependant, la frette 50 se dilate beaucoup moins que le bloc de maintien (et que la jupe). Elle empêche donc partiellement la dilatation de la bague de précontrainte 40. Lors du refroidissement, la bague de précontrainte 40 se contracte, le bloc de maintien 20 se contracte, de même que la jupe 10 au niveau du disque diéléctrique (la bague en inox est en matériau beaucoup plus rigide que la jupe). La bague 40 exerce une compression sur le disque diélectrique 30 qui se contracte moins. Cette compression est permanente : elle est présente au repos, mais elle se maintient en fonctionnement. Elle est radiale. Elle dépend des jeux entre les pièces, des matériaux utilisés, des diamètres des éléments, et de l'épaisseur de la bague de précontrainte. Elle peut atteindre 100 bars. Il s'agit donc d'une forte précontrainte de compression. La frette 50 est retirée après refroidissement.
En présence de cette précontrainte permanente, la structure d'ensemble sera beaucoup plus résistante à la rupture lorsque la fenêtre subira des contraintes thermiques, soit en étuvage, soit en fonctionnement.
La fenêtre de sortie selon l'invention peut être utilisée notamment en sortie des TOP, ou des klystrons.
Claims (12)
1. Fenêtre hyperfréquence comportant un disque diélectrique (30), caractérisée par le fait qu'elle comporte une bague de précontrainte (40) entourant la périphérie du disque et exerçant au repos, sur toute la périphérie du disque, une contrainte de compression radiale dirigée vers le centre du disque.
2. Fenêtre hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une jupe métallique (10) est brasée autour du disque (30), la bague de précontrainte (40) entourant la jupe métallique autour de la périphérie du disque diélectrique.
3. Fenêtre hyperfréquence selon la revendication 2, caractérisée en ce que la bague de précontrainte (40) est constituée par une zone annulaire d'un bloc de maintien (20) servant à fixer la fenêtre sur la sortie d'un tube hyperfréquence, cette zone annulaire appuyant sur une surface extérieure de la jupe métallique (10) tout autour de la périphérie du disque diélectrique.
4. Fenêtre hyperfréquence selon la revendication 3, caractérisé
en ce que le bloc de maintien est en métal plus rigide que la jupe.
5. Fenêtre hyperfréquence selon la revendication 4, caractérisé en ce que la jupe est en cuivre, le bloc de maintien en inox, et le disque diélectrique en alumine.
6. Fenêtre hyperfréquence selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que la jupe métallique est brasée en haut et en bas sur le bloc de maintien.
7. Fenêtre hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'épaisseur de la bague de précontrainte de compression (40) est d'environ 3 millimètres.
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8. Fenêtre hyperfréquence selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une substance de lubrification, de préférence du graphite, est interposée entre la bague de précontrainte (40) et la jupe métallique (10), pour empêcher un frittage entre la bague et la jupe
en cas d'élévation de température de la bague.
9. Fenêtre hyperfréquence selon la revendication 8, caractérisée en ce que la contrainte de compression est de plusieurs dizaines de bars ou plus.
10. Procédé de fabrication d'une fenêtre hyperfréquence consistant à placer un disque diélectrique (30) à l'intérieur d'une jupe métallique (10), avec une matière de brasage (60), et avc un faible jeu entre
la périphérie du disque et la jupe, à placer le disque et la jupe à l'intérieur d'un bloc de maintien (20) comportant une bague de précontrainte (40) entourant la jupe sur toute la périphérie du disque, un faible jeu étant ménagé entre la bague et la jupe, à placer une frette de brasage (50) autour de cette bague avec un faible jeu entre la frette et la bague, le matériau de la frette ayant un coefficient de dilatation plus faible que celui de la bague, à porter l'ensemble frette, bague, jupe et disque à une température suffisante pour assurer le brasage du disque dans la jupe, et à laisser refroidir, le refroidissement assurant une précontrainte en compression radiale de la bague sur la jupe et sur le disque.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que, au cours de la même opération de brasage, on brase les extrémités supérieure et inférieure de la jupe sur le bloc de maintien, des cordons de brasure (62, 64) ayant été mis en place préalablement à l'introduction de l'ensemble dans le four de brasage.
12. Procédé selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce qu'avant la mise en place de la bague de précontrainte (40) autour de la jupe, on interpose entre la bague de contrainte et la jupe métallique une substance de lubrification, de préférence du graphite, empêchant un frittage entre la bague et la jupe en cas d'élévation de température de la bague.
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| PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 1997, no. 06 30 June 1997 (1997-06-30) * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3166177A1 (fr) * | 2015-11-06 | 2017-05-10 | Thales | Fenêtre hyperfréquence |
| FR3043497A1 (fr) * | 2015-11-06 | 2017-05-12 | Thales Sa | Fenetre hyperfrequence |
| US10084221B2 (en) | 2015-11-06 | 2018-09-25 | Thales | RF window including a prestressing ring that surrounds the periphery of a dielectric disc and applies a radial stress to the dielectric disc |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP1364425A1 (fr) | 2003-11-26 |
| US20040080387A1 (en) | 2004-04-29 |
| US7049909B2 (en) | 2006-05-23 |
| FR2821487B1 (fr) | 2004-09-17 |
| WO2002069434A1 (fr) | 2002-09-06 |
| EP1364425B1 (fr) | 2004-08-11 |
| JP2004521543A (ja) | 2004-07-15 |
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