KR101934134B1 - 골드 및 인듐으로 브레이징된 니오브산리튬 결정을 사용하는 고온 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법 - Google Patents
골드 및 인듐으로 브레이징된 니오브산리튬 결정을 사용하는 고온 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 고온 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 상기 트랜스듀서는 스틸 또는 금속 상부 전극 (2), 압전 컨버터 (3), 음파들의 전파 매체와 컨버터 사이의 인터페이스를 보장하는 스틸 또는 금속 지지부 (1), 지지부와 압전 재료 사이의 제 1 조인트 (J1) 및 컨버터와 상부 전극 사이의 제 2 조인트 (J2) 를 포함하고, 방법은 조인트들을 생성하기 위해 브레이징 및 확산 동작을 포함하고, 상기 브레이징 및 확산 동작은
- 온도를 약 150℃ 와 약 400℃ 사이에 포함된 제 1 온도로 증가시키고 제 1 안정기에 대응하는 제 1 시간 길이 동안 상기 제 1 온도를 유지하는 제 1 단계; 및
- 온도를 약 400℃ 와 약 1000℃ 사이에 포함된 제 2 온도로 증가시키고 제 2 안정기에 대응하는 제 2 시간 길이 동안 상기 제 2 온도를 유지하는 제 2 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
- 온도를 약 150℃ 와 약 400℃ 사이에 포함된 제 1 온도로 증가시키고 제 1 안정기에 대응하는 제 1 시간 길이 동안 상기 제 1 온도를 유지하는 제 1 단계; 및
- 온도를 약 400℃ 와 약 1000℃ 사이에 포함된 제 2 온도로 증가시키고 제 2 안정기에 대응하는 제 2 시간 길이 동안 상기 제 2 온도를 유지하는 제 2 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명의 분야는 고체들 및 유체들에서 전파할 수 있는 초음파 또는 음파의 에미터들, 수신기들 또는 트랜시버들로서 작용하고 고온들에서, 통상적으로 수백 ℃ 이상에서 동작하도록 설계되는 디바이스들의 분야이고, 이 디바이스들은 상세한 설명에서 고온 초음파 트랜스듀서들 (프랑스의 "traducteur ultrasonore haute temprature" 로부터 TUSHT 로 알려짐) 로 지칭된다.
일반적으로, 음파들은 종파 (유체들 및 고체들에서 전파) 또는 횡파 (예를 들어, 고체들 및 점성 유체들에서 전파) 또는 이들 두 유형의 파들의 조합 (고체들에서 표면파 및 유도파의 전파) 일 수도 있다.
현재로서는, 특히 액체 금속으로 냉각된 고속 중성자로의 메인 용기의 핫 플리넘 (hot plenum) 에서 마주치는 물리적 컨디션들 하에서 초음파 트랜스듀서 또는 음파 트랜스듀서의 동작 범위 및 그 동작 수명을 증가시킬 필요가 있다.
이 유형의 트랜스듀서는 고속 중성자로에서의 애플리케이션들을 발견할 수도 있지만 이 목적을 위해 트랜스듀서의 만족스러운 동작은 다음에 나타낸 물리적 컨디션들 하에서 특히 획득되야할 필요가 있다:
- 액체 금속 (예를 들어, 나트륨) 또는 합금에서의 침지;
- 정규 컨디션들 하에서 작업 온도: 200℃ (반응로 셧다운), 550℃ (반응로 작동);
- 부수적인 컨디션들 하에서 작업 온도; 700℃;
- 200℃ 와 550℃ 사이의 온도 사이클들;
- 가끔의 온도 기울기 (열 충격): 550℃ 와 400℃ 사이에서 - 20℃/s;
- 고속 중성자와 열 중성자 및 감마 광자들의 플럭스;
- 수십년의 동작 수명 (반응로 서비스 수명: 60 년); 및
- 동작 온도 위의 테스트 또는 초기 컨디셔닝 온도들 (550℃ 에서 사용 시 약 600℃).
이들 트랜스듀서들은 또한, 실험실 테스트들을 위해 상온 (어느 정도의 온도) 에서 동작할 수 있어야 한다.
이들 트랜스듀서들은 음파 또는 초음파의 에미터들로서, 음파 또는 초음파의 수신기들로서, 그리고 트랜시버들로서 동작할 수 있어야 한다.
마지막으로, 이들 트랜스듀서들은 넓은 범위의 음파 또는 초음파 주파수들, 통상적으로 거의 연속적으로 수 메가헤르츠까지에서 동작할 수 있어야 한다.
그 일반적인 특성들 때문에, 이들 트랜스듀서들에 대한 개선들은 또한, 다른 분야들의 애플리케이션들, 예컨대 가압 수형 원자로의 계측장비 (instrumentation) 또는 실제로 비핵 산업들에서의 고온 계측장비에도 관련된다.
알려진 바와 같이, 전력을 기계적 에너지로 변환하고/하거나 그 반대로 변환하기 위해 압전 또는 자기변형 (magnetostrictive) 또는 전자기 음파 (EMAT) 재료로 이루어진 엘리먼트를 사용하여 음파들이 생성 및/또는 수신된다.
(예를 들어, 압전) 컨버터 엘리먼트는, 상세한 설명에서, 지지 플레이트로서 지칭 (가끔, 인터페이스 플레이트, 분리 플레이트, 페이즈 플레이트, 커플링 플레이트, 전방 플레이트, 전면, 다이아그램 등으로 지칭됨) 되거나 더 일반적으로는, 실제로 하우징의 일부 또는 점검될 일부 또는 도파관의 일부에 통합될 수도 있는 지지부로 지칭된, (일반적으로 금속 또는 금속 합금으로 만들어진) 보호 플레이트에 의해 파동들의 전파 매체로부터 분리된다.
만족스러운 성능을 획득하기 위해서, 본 발명은 특히:
- 컨버터 재료의 선택;
- 지지부 재료, 및 보다 일반적으로는 하우징의 선택;
- 컨버터 재료와 지지부 사이의 본드 (조인트) 의 유형의 선택 및 구현을 지정하는 것을 추천할 수도 있고, 이 본드는 기계적 및 음향적 기능들을 제공, 즉 넓은 주파수 범위 (거의 연속적으로 수 메가헤르츠까지) 및 넓은 온도 범위 (수 ℃ 에서 550℃, 심지어 700℃ 까지) 에 걸쳐 초음파를 송신할 수 있을 필요가 있다. 그 제 2 면 상에서, 컨버터 재료는 전극에 커플링되고, 이 커플링은 가능하게는 컨버터 재료와 지지부 사이에서와 같이 동일한 방식으로 달성되고, 또는 가능하게는 상이하게 달성된다. 구체적으로, 전극은 컨버터 엘리먼트에 음향적으로 커플링되지 않는 것이 유리할 수도 있다. 플레이트는 제 2 전극으로서 기능할 수도 있다. 본드는 전극들 (전극 및 지지부 양자 모두가 도전성 재료들로 만들어짐) 의 전기적 기능과 호환 (compatible) 될 필요가 있다, 즉, 본드는 전극들과 컨버터 사이에, 전기적 (저항) 및 유전적 특성들이 상기 전극들과 상기 컨버터 간의 저항성 및 용량성 중 적어도 하나의 접촉 전기적 커플링을 저해할 수도 있는 엘리먼트를 도입하지 않는다.
상세한 설명의 나머지에서 "어셈블리" 로 표기된 다음의 어셈블리 "지지부/제 1 조인트/컨버터 재료/제 2 조인트/전극" 은 (기계적으로, 전기적으로 그리고 음향적으로) 내구력있게 동작해야 하고, 전술된 극한 컨디션들 하에서 안정적인 특징들을 가져야 한다.
가끔, 이용된 하나의 기법은 도파관들을 사용하는 것으로 이루어지는데, 도파관의 일 단부는 고온 매체와 접촉하고, 타 단부는 종래의 저온 트랜스듀서를 갖는, 낮은 핵 중성자속을 받는 보다 차가운 구역에 위치된다. 이들 디바이스들은, 특히 온도 기울기들 및 불안정성들의 존재 하에 구현하기 힘들다.
더욱이, 상용 가능한 소위 "고온" 초음파 트랜스듀서들은 온도 범위, 주파수 범위, 및 동작 수명에 대하여 필요한 성능이 달성되는 것을 허용하지 않는다. 이는, 이들 트랜스듀서들이 특히 다음에 의해 제한되기 때문이다:
- 불충분하게 높은 퀴리 온도 (Curie temperature) 를 갖는 압전 컨버터 재료;
- 이 재료와 플레이트 (하우징) 사이에 사용된 조인트의 유형: 접착제들, 페이스트들, 용해 가능한 시일 등은 경험된 온도 또는 온도 사이클들 또는 기울기들을 견딜 수 없고, 또는 트랜스듀서의 동작 또는 온도에 의해 유도된 기계적 응력들을 견딜수 없고, 또는 실제로 화학 반응 또는 어택 등을 통해 트랜스듀서를 열화되게 함; 및
- 이 재료와 플레이트 사이에 사용된 조인트의 유형; 건식 압축 접촉 (스크류, 스프링) 은 고주파수 초음파를 송신하는데 적합하지 않음.
또한, (컨버터, 조인트에) 사용된 재료들은 종종 핵방사 컨디션들 하에서 약해진다.
이는, 본 발명의 하나의 주제가 고온 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법인 이유이고, 상기 트랜스듀서는 스틸 또는 금속 상부 전극, 압전 컨버터, 음파들의 전파 매체와 컨버터 사이의 인터페이스를 보장하는 스틸 또는 금속 지지부, 지지부와 압전 결정 사이의 제 1 조인트, 및 컨버터와 상부 전극 사이의 제 2 조인트 를 포함하고, 이 방법은 상기 조인트들을 생성하기 위해:
- 상부 전극의 면들 중 일 면, 컨버터의 양 면들, 및 스틸 지지부의 일 면 상에 골드 층을 퇴적한 후 인듐 층을 퇴적하는 단계;
- 지지부, 컨버터, 및 상부 전극을 적층하는 단계로서, 이 적층은 가압함으로써 유지되는, 상기 적층하는 단계; 및
- 브레이징 (brazing) 및 확산 동작을 통해 인듐-및-골드-화합물 기반의 제 1 및 제 2 조인트들을 생성하는 단계를 포함하고,
상기 브레이징 및 확산 동작은:
- 온도를 150℃ 와 400℃ 사이에 포함된 제 1 온도로 증가시키고, 제 1 안정기에 대응하는 제 1 시간 길이 동안 이 제 1 온도를 유지하는 제 1 단계; 및
- 온도를 400℃ 와 1000℃ 사이에 포함된 제 2 온도로 증가시키고, 제 2 안정기에 대응하는 제 2 시간 길이 동안 이 제 2 온도를 유지하는 제 2 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 주제는 고온 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법이고, 상기 트랜스듀서는 스틸 또는 금속 상부 전극, 압전 컨버터, 음파들의 전파 매체와 컨버터 사이의 인터페이스를 보장하는 스틸 또는 금속 지지부, 지지부와 압전 결정 사이의 제 1 조인트, 및 컨버터와 상부 전극 사이의 제 2 조인트를 포함하고, 이 방법은 상기 조인트들을 생성하기 위해:
- 컨버터의 제 1 면, 및 스틸 지지부의 일 면 상에 골드 층을 퇴적한 후 인듐 층을 퇴적하는 단계;
- 지지부 및 컨버터를 적층하는 단계로서, 이 적층은 가압함으로써 유지되고, 상기 컨버터의 제 1 면은 지지부를 면하는, 상기 적층하는 단계;
- 브레이징 및 확산 동작을 통해 인듐-및-골드 화합물 기반의 제 1 조인트를 생성하는 단계로서, 상기 브레이징 및 확산 동작은:
·온도를 150℃ 와 400℃ 사이에 포함된 제 1 온도로 증가시키고, 제 1 안정기에 대응하는 제 1 시간 길이 동안 이 제 1 온도를 유지하는 제 1 단계; 및
·온도를 400℃ 와 1000℃ 사이에 포함된 제 2 온도로 증가시키고 제 2 안정기에 대응하는 제 2 시간 길이 동안 이 제 2 온도를 유지하는 제 2 단계를 포함하는, 상기 인듐-및-골드 화합물 기반의 제 1 조인트를 생성하는 단계;
- 컨버터 상에 상부 전극을 적층하는 단계; 및
- 컨버터 및 상부 전극을 접촉시킴으로써 제 2 조인트를 생성하는 단계를 더 포함하고,
- 컨버터의 제 2 면은 전극의 면 상에서 수행된 처리와 관계없이 노출되어 있거나, 또는 골드 층으로 그 후 인듐 층으로 커버되고, 또는 골드 층 또는 비-산화성 재료의 층으로 커버되고, 상기 비-산화성 재료의 전기적 및 유전적 특성들은 컨버터 및 전극의 저항성 및 용량성 중 적어도 하나의 접촉 전기적 커플링과 호환 가능하고;
- 전극의 면은 가능하게는, 컨버터의 제 2 면 상에서 수행된 처리에 관계없이, 노출되어 있거나, 또는 골드 층으로 그 후 인듐 층으로 커버되고, 또는 골드 층 또는 비-산화성 재료의 층으로 커버되고, 상기 비-산화성 재료의 전기적 및 유전적 특성들은 컨버터 및 전극의 저항성 및 용량성 중 적어도 하나의 접촉 전기적 커플링과 호환 가능하다.
따라서, 본 발명에 따르면, 브레이징 및 확산 동작은 "중간" 온도에서 제 1 안정기를 포함하고, 그 후 "높은" 온도에서 제 2 안정기를 포함한다는 사실이 본 출원에 의해 목표된 애플리케이션들에 특히 잘 맞춰지는 매우 높은 접합 품질을 보장하는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 일 변형에 따르면, 압전 재료는 니오브산리튬이다.
니오브산리튬은 임의의 그 형태들 및 화학적 조성들을 취할 수도 있고, 임의의 방법에 의해 생성될 수도 있는데, 니오브산리튬은: 단결정 또는 다결정 니오브산리튬, 크기와 형태가 동일한 (congruent), 화학량적 또는 반-화학량적 니오브산리튬, 환원된 나오브산리튬 (블랙 니오브산리튬) 은 가변의 또는 인버팅된 도메인들을 갖고, 주기적으로 편광되며 (PPL (periodically poled lithium niobate)), 그리고/또는 도핑되고 (화학 원소의 함유 또는 치환); 니오브산리튬은, 초크랄스키 또는 변형된 초크랄스키 방법을 사용하는 풀링, 구역 용융 프로세싱, 또는 졸-겔 프로세싱을 포함하는 임의의 기법을 사용하여 생성될 수도 있다.
본 발명의 일 변형에 따르면, 인듐의 원자 백분율은 35% 미만이다.
본 발명의 일 변형에 따르면, 니오브산리튬은 리튬-7 동위원소로 강화된 니오브산염 또는 천연 니오브산염이다.
본 발명의 일 변형에 따르면, 니오브산리튬은 Z-컷 배향 (Y 90°) 을 갖는다.
본 발명의 일 변형에 따르면, 니오브산리튬은 36°Y-컷 배향 또는 163°Y-컷 배향을 갖는다.
본 발명의 일 변형에 따르면, 제 1 온도는 순수 인듐의 녹는점 위이다.
본 발명의 일 변형에 따르면, 제 1 온도는 170℃ 이다.
본 발명의 일 변형에 따르면, 제 2 온도는 650℃ 이다.
본 발명의 일 변형에 따르면, 제 1 온도는 제 1 시간 길이 동안 양의 미소 기울기를 갖는다.
본 발명의 일 변형에 따르면, 제 1 시간 길이는 1 시간이고, 제 2 시간 길이는 2 시간이고, 제 1 온도와 제 2 온도 사이의 온도 증가는 4 시간이 걸린다.
본 발명의 일 변형에 따르면, 브레이징된 조인트들을 생성하는 단계들은 가능하게는 10-5 mbar 의 세컨더리 진공 하에서 수행된다.
본 발명의 일 변형에 따르면, 브레이징된 조인트들을 생성하는 단계들은 2 kg/㎠ 미만의 압축 응력 하에서 어셈블리를 유지하면서 수행된다.
본 발명의 일 변형에 따르면, 방법은 지지부/제 1 접합/컨버터/제 2 접합/상부 전극 어셈블리를 하우징 안에 통합시키는 단계를 포함하고, 상기 지지부는 상기 하우징 안에 통합된 플레이트이다.
본 발명의 일 변형에 따르면, 하우징은 하우징 내의 산소 함량을 갱신되게 하는 에이어레이팅 (aerating) 수단을 포함한다.
본 발명의 일 변형에 따르면, 방법은 브레이징된 조인트들을 생성하기 위해:
- 엘리먼트들 각각 사이에 골드 및 인듐 또는 골드와 인듐의 혼합물들에 기반한 중간 포일의 존재 하에, 상부 전극, 컨버터 및 지지부, 또는 컨버터 및 지지부로 이루어진 어셈블리를 조립하는 단계; 및
- 브레이징 및 확산 동작을 더 포함한다.
본 발명의 일 변형에 따르면, 방법은 골드 및 인듐, 또는 골드와 인듐의 혼합물들에 기반한 상기 포일들의 접착을 촉진시키기 위해 브레이징 어셈블리 동작 동안 서로 면하도록 의도되는 상기 엘리먼트들의 상기 면들 상에 예비 골드 층들을 생성하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 일 변형에 따르면, 층들은 스퍼터링에 의해 퇴적된다.
본 발명의 일 변형에 따르면, 방법은 골드 층들을 퇴적하기 전에, 전극, 컨버터, 및 지지부 중 적어도 하나의 면들 상에 타이 층들을 생성하는 단계를 더 포함한다.
타이 층은 또한, 퇴적들 동안 또는 브레이징 동작들 이전의 온도 및 압력 컨디션들 하에서 조인트들의 어느 한 면상에 위치된 재료들로의 골드 및 인듐 중 적어도 하나의 원소들의 이동에 대하여 배리어로서 작용할 수도 있다. 따라서, 이것은 브레이징 동작 전에 퇴적물들이 재료들로 침투하는 것을 방지하는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 일 변형에 따르면, 하나 이상의 타이 층들은 크롬, 크롬 니켈, 또는 티타늄에 기반한다.
본 발명의 일 변형에 따르면, 인듐 층 상에 보호층을 퇴적하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 일 변형에 따르면, 보호층은 골드에 기반한다.
첨부된 도면들을 참조하고 비제한의 예시의 방식으로 주어진 다음의 상세한 설명의 판독 시 본 발명은 더 잘 이해될 것이고 다른 이점들이 명백해질 것이다.
도 1a 및 도 1b 는 본 발명에 따른 트랜스듀서의 제 1 실시형태를 나타낸다.
도 2a 및 도 2b 는 본 발명의 트랜스듀서에 존재하는 조인트들이 획득되는 것을 허용하는 예시의 브레이징 사이클들을 나타낸다.
도 3 은 중간 포일들의 사용을 포함하는, 본 발명에 따른 트랜스듀서의 제 2 실시형태를 나타낸다.
도 4 는 본 발명의 트랜스듀서 및 그것을 통상적으로 530℃ 내지 600℃ 에 이르는 온도들에서 동작하게 만드는 수단을 포함하는 디바이스를 나타내고, 지지부/컨버터/전극 어셈블리의 동작 온도 한계는 900℃ 위이다.
도 1a 및 도 1b 는 본 발명에 따른 트랜스듀서의 제 1 실시형태를 나타낸다.
도 2a 및 도 2b 는 본 발명의 트랜스듀서에 존재하는 조인트들이 획득되는 것을 허용하는 예시의 브레이징 사이클들을 나타낸다.
도 3 은 중간 포일들의 사용을 포함하는, 본 발명에 따른 트랜스듀서의 제 2 실시형태를 나타낸다.
도 4 는 본 발명의 트랜스듀서 및 그것을 통상적으로 530℃ 내지 600℃ 에 이르는 온도들에서 동작하게 만드는 수단을 포함하는 디바이스를 나타내고, 지지부/컨버터/전극 어셈블리의 동작 온도 한계는 900℃ 위이다.
본 발명은 하우징 안에 통합되고 특히 하드웨어 결함들, 광학적 검출을 불가능하게 만드는 불투명한 매질, 나트륨에서의 가스 버블들의 존재 등을 검출하고 또는 잡음을 검출하는데 사용되는 초음파 트랜스듀서의 실시형태의 맥락에서 설명될 것이다.
본 발명의 이점은 특히, 음파들이 넓은 주파수 대역에 걸쳐 송신되는 것을 허용하는, 브레이징에 의해 생성된 조인트들의 구성 재료들에 있다.
본 발명의 트랜스듀서에서 사용된 어셈블리의 제 1 실시형태:
엘리먼트들: 지지부, 컨버터, 상부 전극 각각 상에는 다음의 층들의 스택들이 생성되었으며, 상기 지지부는 하우징의 플레이트에 대응한다. 따라서, 도 1 에서 예시된 바와 같이,
지지부 (1) 는 다음의 층들로 이루어진 층들의 스택으로 커버된다:
- 타이 층 (11);
- 골드 층 (21);
- 인듐 층 (31); 및
- 보호 층 (41).
상부 전극 (2) 은 또한, 다음의 층들의 스택을 포함한다:
- 보호 층 (42);
- 인듐 층 (32);
- 골드 층 (22); 및
- 타이 층 (12).
가능하게는 압전 결정으로 이루어진 컨버터 (3) 는, 그 하부면 상에 다음의 층들의 스택을 포함하고:
- 보호 층 (43i);
- 인듐 층 (33i);
- 골드 층 (23i); 및
- 타이 층 (13i),
그 상부면 상에는 대칭적인 층들의 스택을 포함한다, 즉:
- 타이 층 (13s);
- 골드 층 (23s);
- 인듐 층 (33s);
- 보호 층 (43s).
유리하게, 플레이트형 지지부 및 상부 전극으로 지칭된 전극은 각종 부류들의 스틸로 만들어질 수도 있고, 가장 통상적으로 사용된 스틸은 304L 오스테나이트강이다 (선택적으로, 진공에서 주조됨).
조립 후에, 도 1b 에 예시된 트랜스듀서 구조가 획득되고, 도 1b 는 제 1 및 제 2 조인트들 (J1 및 J2) 이 각각 일 측에서는 지지부와 컨버터 사이에, 그리고 다른 측에서는 컨버터와 상부 전극 사이에 위치되는 것을 나타낸다.
컨버터는,
- "초크랄스키" 풀링 (Czochralski pulling) 으로 지칭된 성장 기법에 의해 생성된 (결정의 "광학" 축에 평행하게 놓인 디스크의 축의) 크기와 형태가 동일한 단결정 Z-컷 니오브산리튬으로서, 니오브산리튬의 평면들은 초기에 폴리싱 또는 클리어 폴리싱되고;
- 고온 동작 (약 1140℃ 의 이론적 한계) 을 가능하게 하는 천연 니오브산리튬;
- 99.9% 보다 더 높은 리튬-7 동위원소 함량 및 천연 니오븀 산화물을 갖는 리튬 카보네이트로부터 생성되고, 또한 높은 중성자 플럭스 하에서 동작을 가능하게 만드는 리튬-7-풍부한 니오브산리튬; 또는
- 결정 성장 전에, 가능하게는 원료들로부터 CO2 가스를 제거하도록 의도된 열 처리를 받는 니오브산리튬 (천연 또는 리튬-7 풍부) 의 디스크일 수도 있다.
"Z-컷" 이라 지칭된 결정 컷 및 304L 스틸을 사용하는 것은 이들 2 개의 재료들을 브레이징에 의해 순조롭게 어셈블링되게 하고, 그 열팽창 계수들의 값들은 조인트의 평면에서 충분히 유사하다는 것이 주목된다.
유리하게는, 엘리먼트들 각각 상에 계속해서 퇴적된 4 개의 층들이 진공 스퍼터링에 의해 퇴적될 수도 있고, 하나의 동일한 사이클에서 각종 퇴적 페이즈들 사이에서 진공이 깨지지 않는다.
퇴적물 (deposit) 들 (그 성질들 및 두께들) 은 대칭의 이유로 브레이징에 의해 어셈블링될 면들 각각 상에서 동일하고, 그 두께들은 가능하게는 또한 동일하지 않다.
2 개의 예의 금속 층들의 스택들이 아래에 제공되는데, 제 1 층은 지지부 또는 컨버터 또는 전극 상에 퇴적된다.
실시예 A
층 | 기능 | 재료 | 두께 (microns) |
제 1 층 | 타이 | 크롬 | 0.05 |
제 2 층 | 브레이징 | 골드 | 5 |
제 3 층 | 브레이징 | 인듐 | 2 |
제 4 층 | 보호 | 골드 | 0.1 |
실시예 B
층 | 기능 | 재료 | 두께 (microns) |
제 1 층 | 타이 | 니켈/크롬 80/20 | 0.05 |
제 2 층 | 브레이징 | 골드 | 5 |
제 3 층 | 브레이징 | 인듐 | 2 |
제 4 층 | 보호 | 골드 | 0.15 |
다음의 컨디션들 하에서 수행된 브레이징 사이클에 의해 접합들 (J1 및 J2) 이 생성된다:
- 어셈블링될 부분들은 금속화된 면에 대해 금속화된 면에 위치되고, 보통의 압력 (40mm 와 15mm 직경 사이에서 컨버터들에 대해, 종래에 사용된 값은 수 102 g/cm2, 2 kg/cm2 미만) 하에서 유지됨; 및
- 따라서, 이 위치된 부분들은 가스 흐름 없이 진공 하에서 (즉, 3×10-5 torr 이하, 즉 4×10-5 mb 또는 4×10-3 Pa 의 압력에서) 브레이징 사이클을 받는다.
브레이징 사이클은 연속적으로, 도 2a 에 예시된 2 개의 온도 안정기 (plateau) 를 포함한다:
- 특히, 인듐이 녹도록 하는 저온의 제 1 안정기 (P1): 1 시간과 동일한 시간 길이 (T1) 동안 170℃, 이 안정기의 유지는 또한 디개싱 (degassing) 을 가능하게 한다;
- 170℃ 와 650℃ 사이의 온도 램프, 4 시간 길이;
- 고온의 제 2 안정기 (P2): 2 시간과 동일한 시간 길이 (T2) 동안 650℃; 및
- 점진적인 온도 감소.
변형의 브레이징 사이클은 도 2b 에 예시된다. 구체적으로, 점진적 증가 및 엄밀하지 않은 안정기들을 갖는 브레이징 사이클들을 수행하는 것이 또한 가능하다.
또한, 브레이징될 부분들이 온도 평형에 도달하기 더 쉽게 만들기 위해 중간 안정기들을 활용하는 것이 가능하다.
일반적으로, 4 개의 금속 층들은 2 개의 연속적인 퇴적들 사이에서 진공을 깨지 않고 연속적으로 퇴적되고, 퇴적물들 (그 성질 및 두께) 은 대칭이기 때문에 브레이징에 의해 어셈블링될 2 개의 부분들에서 동일하지만, 그 층들이 절대적으로 동일한 두께를 가질 필요는 없다.
최종의 골드 및 인듐 조인트 층을 형성하도록 의도된 인듐 및 골드의 두께들은 유리하게는, 약 13 중량% 및 20 원자수% 의 이론적 인듐 백분율 (인듐/(인듐+골드)) 에 대응하는, 2:5 의 비율일 수도 있다.
골드/인듐 조성 및 브레이징 온도/길이의 세부사항은 더 높은 녹는 점, 디본딩 온도 (debonding temperature), 및 이에 따라 실제로, 더 높은 인듐:골드 비들을 사용하고 "저온", 즉, 안정기 (P1) 의 온도와 유사한 온도들의 인듐-녹음 안정기에 제한되는 골드-인듐 기반 본딩 방법들로 획득되는 것보다 더 높은 최대 동작 온도를 갖는 브레이징된 어셈블리를 제공하는데, 이 방법들에 있어서 어셈블리의 녹는점 및 디본딩 온도는 전술된 애플리케이션들에 대해 너무 낮다.
본 발명에 따른 트랜스듀서에서 사용된 어셈블리의 제 2 실시형태:
지지부 (1) 의 일면, 컨버터 (3) 의 양 면들, 및 상부 전극 (2) 의 일 면상에, 골드층, 11, 13i, 13s 및 12 이 각각 (도 3 에 도시되지 않은 타이 층의 예비 퇴적 후) 도 3 에 예시된 바와 같이 퇴적되고, 골드 및 인듐의 포일들 (F1 및 F2)(2 개의 골드 포일들 사이에 삽입된 인듐 포일) 또는 골드 및 인듐의 혼합물이 이들 각종 엘리먼트들 사이에 삽입된다 (도 3 에서, F1 및 F2 는 포일들의 그룹을 나타낼 수도 있음). 통상적으로, 인듐 및 골드 포일들은 약 10 마이크론의 두께일 수도 있다.
그 후, 2 개의 골드 및 인듐 기반 조인트들 (J1 및 J2) 을 포함하는 트랜스듀서를 획득하기 위해 전술된 브레이징 사이클들 중 하나를 수행하는 것이 가능하다.
본 발명의
TUSHT
트랜스듀서의
예
전술된 어셈블리들은 유리하게는, 도 4 에 도시된 바와 같이 TUSHT 초음파 트랜스듀서 안에 통합될 수도 있고, 매우 고온들, 잠재적으로는 약 900 내지 1000℃ 에서 동작할 수 있도록 의도되어, 모든 그 동작 범위들에서 나트륨 냉각된 고속 중성자 원자로의 메인 용기에서의 애플리케이션들을 고안하는 것을 가능하게 한다.
컨버터 (3) 는 가능하게는 그리고 통상적으로 40 mm 또는 15 mm 또는 6 mm 의 직경 및 0.78 mm 의 두께를 갖는 평면의 압전 니오브산리튬 디스크를 포함한다.
스틸 플레이트 (1) 는 평평하고 1.2 mm 의 두께일 수도 있다. 이 종래의 값은 비제한적이지만, 장기간 동안 나트륨 노출을 견뎌야하는 요건에 의해 제약된다.
전극 (2) 은 또한, 스틸로 만들어지고 평평하며, 종래에는 1 과 2 mm 사이에 포함된 두께를 갖는데, 이들 값들은 비제한적이다.
플레이트는 하우징 (B) 에 용접되고, 또한 스틸로 만들어진다.
트랜스듀서에는 전기 케이블 (Cel)(예를 들어, 동축 케이블) 이 구비되는데, 이 케이블의 코어는 전극에 납땜되고, 케이블의 외부 스틸 피복제는 하우징에 납땜되며 따라서 플레이트에 전기적으로 접속된다.
하우징 안으로 스크류된 너트 (4) 는 (예를 들어, stumatite 의) 전기 절연체로 제조된 워셔를 통해 전극에 대해 가해질 수도 있다. 이 너트는 동일한 기능을 수행하는 임의의 디바이스 (스프링 등) 에 의해 대체될 수도 있다.
너트 (4) 의 목적은:
- 예를 들어 외부 압력의 작용 하에서 어셈블리에 손상을 입힐 수 있는 플레이트의 변형을 막는 것이다. 너트의 치수들은 가압 수형 원자로 용기를 나타내는 물리적 온도 및 압력 조건들 (170 bars, 320℃) 하에서 지정된다. 너트는, 액체-나트륨-냉각된 고속 중성자 반응로의 메인 용기에서 발견된 통상의 조건들 하에서 동작하는 경우 필요 없다 (저압 하에서, 이 치수들은 550℃ 및 40 bars 에서의 동작을 보장함); 그리고
- 브레이징되지 않은 전극을 갖는 버전에서, 압전 엘리먼트에 대해 전극을 프레싱하기 위한 것이다 (저항성 및/또는 용량성 접촉을 통한 전기적 연속성).
공진 주파수들의 수, 포지션 및 댐핑은 음향적으로 커플링된 재료들의 두께들을 변형함으로써 조정된다: 변형에 따라 플레이트, 압전 엘리먼트, 전극 또는 플레이트 및 압전 엘리먼트.
TUSHT 는 동시에, 여러 공진 주파수들을 보유하고 (각각은 그 자신의 통과대역을 보유함), 이들 주파수들 각각에서 독립적으로 또는 동시에 예를 들어 트랜시버로서 사용될 수도 있는데, 다음을 의미한다:
- 각종 축방향 또는 측방 레졸루션 스케일들 (방향성) 에서 측정들을 수행하는 것이 가능하고, 상기 스케일들은 신호들의 파장을 통해 주파수에 관련되며;
- 일반적으로 주파수에 의존하고 가변적일 수도 있는, 전파 매체에 의해 음파들의 감쇠에 따라 가장 적합한 하나 이상의 주파수들에서 측정들을 수행하는 것이 가능하다.
표준 치수들을 갖는, 브레이징된 TUSHT 들은 넓은 주파수 범위 (적어도 5 MHz 까지) 에 걸쳐 에미터들로서, 수신기들로서, 그리고 트랜시버들로서 사용될 수도 있다.
유리하게는, 하우징에는 또한 에이어레이팅 (aerating) 튜브들 (Ta), 및 전기 절연체들 (Iei) 이 구비된다. 얇은 골드 층 (51) 이 플레이트 (1) 상의 하우징 외부에 제공되어, 예를 들어, 저온 (350℃ 미만) 에서 전파 매체가 액체 나트륨인 경우 초음파들 (Multra) 의 전파 매체에 의해 (초음파의 송신의 음향 감지에서) 젖음성 (wetting) 을 용이하게 할 수도 있다.
본 발명의 트랜스듀서는 또한, 유리하게는 다음을 포함할 수도 있다:
- 포커싱 플레이트와 선택적으로 연관되는 (비선형 음향 기법들에 적용) 트랜스듀서의 효율성을 증가시키기 위해, 기계적 응력 하에서 톤필즈 (Tonpilz) 트랜스듀서를 형성하는데 연관된 하나 이상의 압전 디스크들을 포함하는 멀티층들 (multistrata) 어셈블리들.
또한, 각종 엘리먼트들 (가중물, 조합물, 디스플레이 등) 로부터의 신호들을 프로세싱하는 전자 또는 소프트웨어 기반 방법들을 구현하는 디바이스들을 관리하는데 있어서 사용 가능한 (병치된 블록들로 이루어진) 멀티엘리먼트 트랜스듀서들을 어셈블링하는 것이 유리할 수도 있다.
생산은, 예를 들어 각종 방식들:
- 먼저, 종래의 (단일 엘리먼트) 브레이징된 지지부/컨버터/전극 어셈블리를 생성하고, 그 후 노치들을 어셈블리의 두께 안에 (기계적 톱질에 의해 또는 임의의 다른 방법에 의해) 머시닝함으로써 (이들 노치들은 적어도 전극, 심지어 압전 엘리먼트를 통과하고 플레이트 안으로 침투함) 블록들을 정의하는 것에 의해;
- 먼저, 단일 엘리먼트 지지부/컨버터/전극 어셈블리를 생성하고 ((압전 엘리먼트 상, 심지어 플레이트 및 전극 상의) 이 어셈블리의 브레이징 금속화들은 트랜스듀서의 엘리먼트들을 정의하는 블록들에 (마스킹 기법 등에 의해) 제한되고), 그 후 머시닝 노치들에 의해 블록들을 기계적으로 분리하는 것에 의해; 또는
- 사전에 컷 아웃된 블록들 (압전 재료 및 전극들) 을 개별적으로 브레이징하는 것에 의해 수행될 수도 있다.
마지막으로, 브레이징 어셈블리 기법은 각종 지오메트리들: 선대칭 회전체들 (디스크들), 시트들 (예를 들어, 평행육면체) 에 적응 가능하다는 것이 주목된다.
Claims (23)
- 고온 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법으로서,
상기 트랜스듀서는 스틸 또는 금속 상부 전극 (2), 압전 컨버터 (3), 음파들의 전파 매체와 상기 컨버터 사이의 인터페이스를 보장하는 스틸 또는 금속 지지부 (1), 상기 지지부와 압전 재료 사이의 제 1 조인트 (J1) 및 상기 컨버터와 상기 상부 전극 사이의 제 2 조인트 (J2) 를 포함하고,
상기 방법은, 상기 조인트들을 생성하기 위해:
상기 상부 전극의 면들 중 일 면, 상기 컨버터의 양 면들, 및 상기 스틸 지지부의 일 면 상에 골드 층을 퇴적한 후 인듐 층을 퇴적하는 단계;
상기 지지부, 상기 컨버터, 및 상기 상부 전극을 적층하는 단계로서, 적층부는 가압함으로써 유지되는, 상기 적층하는 단계; 및
브레이징 (brazing) 및 확산 동작을 통해 인듐-및-골드-화합물 기반의 제 1 및 제 2 조인트들을 생성하는 단계를 포함하고,
상기 브레이징 및 확산 동작은:
온도를 150℃ 와 400℃ 사이에 포함된 제 1 온도로 증가시키고, 제 1 안정기에 대응하는 제 1 시간 길이 동안 상기 제 1 온도를 유지하는 제 1 단계; 및
온도를 400℃ 와 1000℃ 사이에 포함된 제 2 온도로 증가시키고, 제 2 안정기에 대응하는 제 2 시간 길이 동안 상기 제 2 온도를 유지하는 제 2 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법. - 고온 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법으로서,
상기 트랜스듀서는 스틸 또는 금속 상부 전극 (2), 압전 컨버터 (3), 음파들의 전파 매체와 상기 컨버터 사이의 인터페이스를 보장하는 스틸 또는 금속 지지부 (1), 상기 지지부와 압전 재료 사이의 제 1 조인트 (J1) 및 상기 컨버터와 상기 상부 전극 사이의 제 2 조인트 (J2) 를 포함하고,
상기 방법은 상기 조인트들을 생성하기 위해:
상기 컨버터의 제 1 면, 및 상기 스틸 지지부의 일 면 상에 골드 층을 퇴적한 후 인듐 층을 퇴적하는 단계;
상기 지지부 및 상기 컨버터를 적층하는 단계로서, 적층부는 가압함으로써 유지되고, 상기 컨버터의 상기 제 1 면은 상기 지지부를 면하는, 상기 적층하는 단계;
브레이징 및 확산 동작을 통해 인듐-및-골드 화합물 기반의 제 1 조인트를 생성하는 단계로서, 상기 브레이징 및 확산 동작은:
온도를 150℃ 와 400℃ 사이에 포함된 제 1 온도로 증가시키고, 제 1 안정기에 대응하는 제 1 시간 길이 동안 상기 제 1 온도를 유지하는 제 1 단계; 및
온도를 400℃ 와 1000℃ 사이에 포함된 제 2 온도로 증가시키고 제 2 안정기에 대응하는 제 2 시간 길이 동안 상기 제 2 온도를 유지하는 제 2 단계를 포함하는, 상기 인듐-및-골드 화합물 기반의 제 1 조인트를 생성하는 단계;
상기 컨버터 상에 상기 상부 전극을 적층하는 단계; 및
상기 컨버터 및 상기 상부 전극을 접촉시킴으로써 상기 제 2 조인트를 생성하는 단계를 더 포함하고,
- 상기 컨버터의 제 2 면은 상기 전극의 면 상에서 수행된 처리와 관계없이 노출되어 있거나, 또는 골드 층으로 그 후 인듐 층으로 커버되고, 또는 골드 층 또는 비-산화성 재료의 층으로 커버되고, 상기 비-산화성 재료의 전기적 및 유전적 특성들은 상기 컨버터 및 상기 전극의 저항성 및 용량성 중 적어도 하나의 접촉 전기적 커플링과 호환 가능 (compatible) 하고;
- 상기 전극의 면은 가능하게는, 상기 컨버터의 상기 제 2 면 상에서 수행된 처리에 관계없이, 노출되어 있거나, 또는 골드 층으로 그 후 인듐 층으로 커버되고, 또는 골드 층 또는 비-산화성 재료의 층으로 커버되고, 상기 비-산화성 재료의 전기적 및 유전적 특성들은 상기 컨버터 및 상기 전극의 저항성 및 용량성 중 적어도 하나의 접촉 전기적 커플링과 호환 가능한 것을 특징으로 하는 고온 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 압전 재료는 니오브산리튬인 것을 특징으로 하는 고온 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 인듐의 원자 백분율은 35% 미만인 것을 특징으로 하는 고온 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 니오브산리튬은 리튬-7 동위원소로 강화된 니오브산염 또는 천연 니오브산염인 것을 특징으로 하는 고온 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 니오브산리튬은 Z-컷 배향 (Y 90°) 을 갖는 것을 특징으로 하는 고온 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 니오브산리튬은 36°Y-컷 배향 또는 163°Y-컷 배향을 갖는 것을 특징으로 하는 고온 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 온도는 순수 인듐의 녹는점 위인 것을 특징으로 하는 고온 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 온도는 170℃ 인 것을 특징으로 하는 고온 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 2 온도는 650℃ 인 것을 특징으로 하는 고온 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 온도는 상기 제 1 시간 길이 동안 양의 미소 기울기를 갖는 것을 특징으로 하는 고온 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 시간 길이는 1 시간이고, 상기 제 2 시간 길이는 2 시간이고, 상기 제 1 온도와 상기 제 2 온도 사이의 온도 증가는 4 시간이 걸리는 것을 특징으로 하는 고온 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 브레이징된 조인트들을 생성하는 단계들은 가능하게는 10-5 mbar 의 세컨더리 진공 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 고온 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 브레이징된 조인트들을 생성하는 단계들은 2 kg/㎠ 미만의 압축 응력 하에서 어셈블리를 유지하는 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 고온 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 지지부/제 1 조인트/컨버터/제 2 조인트/상부 전극 어셈블리를 하우징 안에 통합시키는 단계를 포함하고,
상기 지지부는 상기 하우징 안에 통합된 플레이트인 것을 특징으로 하는 고온 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 하우징은 상기 하우징 내의 산소 함량을 갱신되게 하는 에이어레이팅 (aerating) 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 브레이징된 조인트들을 생성하기 위해:
엘리먼트들 각각 사이에 골드 및 인듐 또는 골드와 인듐의 혼합물들에 기반한 중간 포일의 존재 하에, 상기 상부 전극, 상기 컨버터 및 상기 지지부, 또는 상기 컨버터 및 상기 지지부로 이루어진 어셈블리를 조립하는 단계; 및
브레이징 및 확산 동작을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법. - 제 17 항에 있어서,
골드 및 인듐, 또는 골드와 인듐의 혼합물들에 기반한 상기 포일들의 접착을 촉진시키기 위해 브레이징 어셈블리 동작 동안 서로 면하도록 의도되는 상기 엘리먼트들의 상기 면들 상에 예비 골드 층들을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 층들은 스퍼터링에 의해 퇴적되는 것을 특징으로 하는 고온 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 골드 층들을 퇴적하기 전에, 상기 전극, 상기 컨버터, 및 상기 지지부 중 적어도 하나의 면들 상에 타이 층들을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법. - 제 20 항에 있어서,
하나 이상의 상기 타이 층들은 크롬, 크롬 니켈, 또는 티타늄에 기반하는 것을 특징으로 하는 고온 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 인듐 층 상에 보호층을 퇴적하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법. - 제 22 항에 있어서,
상기 보호층은 골드에 기반하는 것을 특징으로 하는 고온 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법.
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