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Perfectionnements apportés aux éléments conducteurs haute fré- quence à sceller dans des corps en verre ou en céramique.
L'écoulement du courant à haute fréquence dans les métaux comporte une caractéristique dont il est important de tenir compte dans l'établissements des scellements entre verre et métal utilisés dans les tubes à vide à haute fréquence, à savoir le "skin effect" ou écoulement des courants à haute fréquence dans les couches su- perficielles de la surface du métal et non dans toute la section de celui-ci ce qui donne lieu à des phénomènes d'échauffement en surface. Cet échauffement en surface est accentué si le métal a une haute résistance électrique.
Une autre caractéristique de l'écoulement des courants à haute fréquence dans les métaux ré- side en ce que, si le métal en question a des propriétés magnéti- ques, les courants à haute fréquence traversent des pellicules encore plus minces de la surface et la dissipation de chaleur est
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plus grande que si le métal n'est pas magnétique.
L'opération de scellement verre-métal comprend une disso- lution physique et/ou une réaction chimique entre les oxydes mé- talliques très tenaces formés sur et adhérant à la surface dùmétal de scellement et le verre scellé au métal. La réaction physique ou chimique a lieu lorsque le verre chaud et ramolli coule sur le mé- tal oxydé chaud.
Lorsqu'une région de scellement verre-métal fait partie de la couche superficielle d'un conducteur de courant à haute fréquence, on a constaté que la résistance électrique de la plupart des oxydes métalliques est beaucoup plus élevée que celle de métal dont ils proviennent. Lorsque l'on scelle à du verre des métaux qui s'oxydent, il n'y a pas de limite deséparation biennette entre le ver- re et le métal, ou entre bon conducteur et isolant. L'oxyde métal- lioue et le verre subissent une réaction chimique et se dissolvent d'un dans l'autre lorsque le scellement s'effectue, avec comme résultat la formation entre verre et métal d'une couche semi- conductrice à fortes pertes. L'écoulement superficiel à haute fréquence ou "skin effect" tend à faire passer le courant dans cet- te couche à fortes pertes.
Au point de vue des contraintes thermioues, il est très désirable de réaliser des scellements comprenant d'une part des alliages de fer, nickel et cobalt et d'autre part des verres à coefficients de dilatation thermique assortis. Malheureusement de tels alliages ont une résistivité électrique trente fois supé- rieure à celle du cuivre, ce qui donne automatiquement des pertes haute fréquence 5,4 fois supérieures. De plus, ces alliages ont une perméabilité magnétique élevée,ce qui fait passer le courant haute fréquence dans des couches encore plus minces et augmente les pertes d'autant. Il s'ensuit que ce genre de scellement si intéressant à tous les autres points de vue présente aux radio- fréquences des pertes extraordinairement élevées.
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Il faut aussi remarquer qu'un scellement verre-métal à base d'alliages fer-nickel-cobalt doit se faire en atmosphère oxydante. Celle-ci garantit un scellement erre-métal de haute qualité, mais il s'ensuit que de grandes parties de métal sont oxydées. L'oxyde formé dans un bon scellement verre-métal est pro- bablement un mélange complexe de fer, nickel et cobalt, les cons- tituants principaux de l'alliage. Cependant les oxydes de fer, cobalt et nickel formés dans un tel scellement verre-métal sont facilement réduits dans l'hydrogène à une température telle que celle du recuit, ce qui exclut la possibilité d'achever le scelle- ment par un .recuit, l'hydrogène pénétrant et réduisant la couche d'oxyde entre métal et verre, ce qui détruit le scellement.
Régler la quantité et le genre d'oxyde dans un alliage fer nickel-cobalt de manière à obtenir de bons scellements est une opération plutôt critique, comme on peut le voir. Il en est de même, au point de vue qualitatif, des oxydes de cuivre, de tungstène, de molybdène, etc.....
La présente invention a pour buts de procurer:
Un scellement verre-métal efficace dans lequel les carac- téristiques de dilatation sont les mêmes pour le métal et le verre;
Un scellement verre-métal ayant une conductibilité élevée immédiatement au-dessous du verre;
Un scellement verre-métal ayant, immédiatement au-dessous du verre, une conductibilité élevée pour les courants à haute fré- quence avec un facteur de pertes très faible.
Un scellement verre-métal efficace ne nécessitant pas de parachèvement après opération.
L'invention ressortira clairement de la description donnée ci après avec référence au dessin annexé, dans lequel:
La figure 1 est une vue en coupe d'un dispositif à décharge à haute fréquence comprenant des scellements verre-métal ;
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La figure 2 est une vue en coupe de la région d'un scel- lement verre-métal, conforme à la présente invention.
La figure 1 montre une anode constituée d'une pièce tubu- laire en métal étiré 10 fermée à une extrémité et dont l'autre extrémité, ouverte, est munie d'une collerette métallique 12, soudée sur tout le pourtour du tube. Une cathode tubulaire 16 pénètre par son extrémité 17 concentriquement dans l'extrémité ouverte de l'anode 10.
La surface de l'extrémité 17 de la cathode est recouverte d'une matière activée de façon à ce qu'une décharge électronique puisse s'établir avec l'anode 10. L'autre extrémité de la cathode tubulaire est fixée à un support 19 à bride, en métal étiré.
L'anode 10 et l'extrémité engagée 17 de la cathode 16 sont séparées par une cuvette ou un anneau ajouré 20 jouant le rôle de grille de commande. La surface de la grille 20 est ajourée de nombreuses fentes longitudinales 22 servant au passage de la dé- charge électronique entre cathode et anode. La surface de cathode 17, la cuvette de grille 20 et la surface adjacente de l'anode 10 sont très rapprochées les unes des autres de façon à réduire au minimum le temps de passage des électrons allant de la cathode 17 à l'anode 10. Une pièce tubulaire en verre 14 maintient l'anode 10 isolée de la grille 20. Un extrémité de la pièce en verre 14 est scellée en 13 à la périphérie de la collerette d'anode 12 , tandis que l'autre extrémité est scellée en 15 à un rebord 24 pro- longeant la cuvette de grille 20.
Une seconde pièce tubulaire en verre 18 maintient l'électrode de commande 20 séparée du tube catho- dique 16. Une des extrémités du tube en verre 18 est scellée en 21 au rebord 24 prolongeant la cuvette de grille 20 et l'autre extrémité est scellée en 23 au support de cathode 19. Les pièces tubulaires en verre 14 et 18 forment avec les parties dégagées des électrodes une enveloppe de scellement qui enferme l'espace entre électrodes compris entre la surface activée de cathode 17 et l'ex- trémité ouverte de l'anode 10. Cette enceinte peut être vidée d'air
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et scellée par un moyen classique quelconque.
En ce qui concerne le fonctionnement du tube à décharge à haute fréquence représentera la figure 1, un cylindre résona- teur représenté en 25 en traits interrompus est connecté entre l'anode 10 et la grille 20 de façon à former entre celles-ci un circuit conducteur. De même, un second résonateur cylindrique représenté en 27 relie la grille 20 à la cathode 16 de façon à former entre celles-ci un circuit conducteur. Les résonateurs 25 et 27 sont de construction et de fonctionnement classiques.
Il ssont représentés très schématiquementà la figure 1 et ne font pas partie de l'invention. Quand le tube travaille, les courants à haute fréquence passent dans le circuit résonateur 25 entre l'anode 10 et la grille 20 aussi bien que dans le circuit résonateur 27 entre la grille 20 et la cathode 16.
L'électrode grille de commande 20 est reliée aux deux cir- cuits résonateurs 25 et 27 par l'intermédiaire du rebord 24 de la grille. Les liaisons de circuit au rebord 24 de la grille peuvent être réalisées sur la connexion de grille 26 comprenant une bride soudée à la surface extérieure de la partie de grille 24. Pendant le fonctionnements du tube, le courant à haute fréquence s'écou- le dans le circuit anode-grille, passe de la surface intérieure du tube d'anode 10 sur la surface intérieure de la rondelle per- cée 12 à travers le scellement 13, de là par les surface extérieures de la collerette 12 et du tube d'anode 10 sur la surface intérieure du résonateur cylindrique 25.
Dans ce circuit grille-anode, des courants à haute fréquence s'écoulent aussi le long de la surface extérieure de la cuvette de grille 20, à travers le scellement 15 et sur la surface intérieure du résonateur cylindrique 25. De même, dans le circuit grille-cathode les courants à haute fréquence pas- sent de la surface intérieure de la cuvette de grille 20, à tra- vers le scellement 20, sur la surface intérieure du résonateur cylindrique grille-cathode 27.
Dans ce même circuit, les courants
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à haute fréquence s'écoulent le long de la surface extérieure de la. cathode 17, le long de la surface du support de cathode 19 à l'intérieur de l'enveloppe du tube, à travers le scellement 23, le long de la surface non enfermée du support de cathode 19 et sur la surface intérieure du circuit résonateur cylindrique 27.
Les parties métalliques 12, 19 et 24 du tube de la figure 1 sont de préférence en un alliage fer-nickel-cobalt ayant des carac' téristiques de dilatation telles que son coefficient de dilatation corresponde- à celui des parties de verre résistant % la cha- leur 14 et 18. Cependant, comme il a été dit plus haut, cet allia- ge a une résistivité électrique élevée et une grande perméabilité magnétique qui provoquent des pertes électriques exagérées dans les pièces 12, 19 et 24 ainsiquedanslerésonateur ou les circuits à haute fréquence dont elles font partie. Ce défaut se fait par- ticulièrement sentir aux fréquences très élevées auxquelles ce gen - re de tube travaille.
A ces fréquences, les courants sont loca.- lisés dans une couche relativement mince à la surface des pièces métalliques 12, 19 et 24 auxquelles les parties de verre14 et 18 sont scellées respectivement. Ces pertes électriques tendent à abaisser le rendement des différents circuits, réduisent leur "Q", et .peuvent être suffisamment importantes pour produire des témpé- ratures et des gradients de température assez élevés causant des accidents ménaniques et électro-chimiques dans les scellements de verre 13, 15, 21 et 23.
Aux hautes fréquences où la profondeur de l'écoulement superficiel du courant ou "skin effect" est ré- duite, les surfaces métalliques dans les régions de scellement véhi- culent inévitablement une grande partie si pas la presque totali- té des courants circulant dans les différents circuits accordés auxquels le tube est associé. L'importance de ces courants augmente avec la fréouence, et il en est de même de la résistivité réelle du métal. Par conséquent, ces régions de scellement sont -soumises à un échauffement sérieux lorsqu'on trouve réunies une forte den- sité de courant haute fréquence et une fréquence élevée.
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La figure 2 représente un scellement verre-métal de bonne qualité ayant une conductivité haute fréquence élevée. Conformément à la présente invention, une partie métallique 31, faisant partie d'un circuit de tube à décharge haute fréquence, comprend un noyau métallique de base 32, de préférence en un alliage fer- cobalt-nickel dont le coefficient de dilatation thermique est con- venablement assorti à celui. d'une partie de verre 30 du tube à décharge à laquelle il doit être scellé. Dans le but d'atteindre une conductivité élevée à la surface de la partie métallique 31, la surface de l'alliage de scellement composé de fer, cobalt et nickel 32 est recouverte, électrolytiquement ou par tout autre moyen approprié, d'une couche de cuivre 34.
Celle-ci est suffi- samment épaisse pour présenter un chemin conducteur suffisant aux courants à haute fréquence qui, de par leur nature, sont lo- calisés dans les couches superficielles du métal conducteur.
Le cuivre est un bon conducteur et forme aussi un bon scellement verre-métal, mais il ne pourrait convenir à cause de la présence d'oxyde de cuivre dans la région de scellement.
L'oxyde de cuivre est ni un bon conducteur ni un bon isolant et comme les courants à hante fréquence s'écoulent dans une mince couche superficielle du conducteur, les pertes dans un tel scellement cuivre-métal seraient assez élevées. Pour corriger ce défaut, il est prévu dans la région du scellement une mince couche 36 de chrome. Cette mince couche de chrome 36 est alors oxydée.
Pendant le scellement, l'oxyde de chrome se dissout dans le verre chaud et forme dans la région de scellement 38 un scelle- ment résistant et de bonne qualité. L'épaisseur de la. plaque d'oxy- de de chrome 36 est beaucoup plus faible que l'épaisseur superfi- cielle dans lequelle les courants à haute fréquence sont localisés à partir de la surface du métal conducteur, de sorte que très peu de courant passe dans la partie oxydée 38 du scellement. Le scel- lement entre le verre 30 et la couche d'oxyde de chrome 36 est de na-
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ture telle qu'il y a une union physioue et chimioue de l'oxyde dechrome et du verre. Il s'agit plus ou moins d'une diffusion du verre dans l'oxyde de chrome de sorte que l'on obtient une couche de fusion joignant la partie de verre 30 à la plaque Ce chrome oxydé 36.
Un scellement tel que celui représenté à la figure 2 et décrit ci-dessus est préparé de la façon suivante. Les parties métalliques qui doivent être scellées au verre sont tirées d'un alliage de fer, cobalt et nickel : leur donne les dimensions et les formes nécessaires. Ces parties métalliques correspondant au métal de base 32 en alliage fer-cobalt-nickel de la figure 2 sont alors recouvertes d'une couche de cuivre 34. Le cuivre peut être déposé électrolytiquement sur la surface de l'alliage de toute.manière connue, ou bien le cuivre peut être fixé à la sur- face de l'alliage par un autre moyen quelconque comme par lami- nage du cuivre sous pression sur la surface de l'alliage de façon que les deux métaux soient soudés ensemble par pression.
Il est cependant préférable de déposer électrolytiquement sur l'alliage de base 32 une couche de cuivre 34 d'une épaisseur comprise entre 0,5 et 3 millièmes de pouce (entre 1/100 et 7/100 de mrn). L'alliage cuivré 32 est ensuite porté à une température d'environ 1.0200C ou plus dans une atmosphère d'hydrogène pendant vingt minutes ou plus. Ce traitement thermique sert à renforcer la liaison entre le recouvrement de cuivre et la surface de l'alliage et à obtenir une certaine diffusion solide entre le cuivre et l'alliage. L'al- liage cuivré 32 est ensuite recouvert de sa couche de chrome 36 dans la région du scellement verre-métal.
L'épaisseur de la couche de chrome est comprise, en prati- que, entre 0,02 et 0,15 millième de pouce (entre 0,5et 4 millièmes de millimètre). La. couche de chrome 36 peut être déposée électro- lytiquement sur la couche de cuivre 34 ou par tout autre procédé tel que le "chromage" qui consiste à fritter intime-ment du chrome
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en poudre à la couche de cuivre 34. L'alliage cuivré et chromé 32 est ensuite porté à une température d'environ 1.00 C dans une atmosphère d'hydrogène sec pour une dizaine de minutes, afin d' éviter que le chrome ne s'oxyde et pour augmenter la liaison entre la couche de chrome et le cuivre par diffusion du chrome dans le cuivre.
L'alliage cuivré et chromé 32 est porté une fois de plus, pendant vingt minutes environ, à 1020 C dans une atmosphère d'hydrogène humide ou normale, de façon à. former sur la surface de la couche de chrome 36 une pellicule adhérente d'oxyde de chro- me. Pour ce dernier traitement thermique on utilise, de préférence, une atmosphère d'hydrogène saturée de vapeur d'eau et une tempéra- ture aussi proche que possible du point de fusion du cuivre. Par ce procédé on obtient sur le cuivre, dans la région de scellement du verre, un film d'oxyde de chrome extrêmement tenace.
Comme le chrome est oxydé dans de l'hydrogène normal ou humide, il peut être scellé à un verre sans plomb ou indifférent à l'hydrogène dans une atmosphère d'hydrogène normale sans la formation d'oxydes indésirables sur les autres parties métalliques telles Que la couche de cuivre 34. Un tel scellement est très propre et cela est dû au fait qu'il n'y a pas d'éléments oxydants présents dans l'atmosphère de scellement, capables d'oxyder des métaux utilisés autres que le chrome. On peut cependant employer des procédés clas- siques pour sceller la partie de verre 30 à l'alliage cuivré et chromé; il suffit de veiller à ce que le cuivre ne fonde pas pen- dant le scellement. On peut également sceller au moyen de flammes d'hydrogène et d'oxygène.
On a réalisé parfaitement des scellements de 6 pouces (16 centimètres) dans l'air atmosphérique. Pour dégazer la surf ace,l'alliage cuivré et chromé 32 est porté à en- viron 1000 C pendant un court instant immédiatement avant l'appli- cation du verre chaud, comme cela se fait d'habitude avec les alliages fer-nickel-cobalt sans recouvrements galvanoplastiques.
Après le scellement, on procède au recuit habituel bien connu.
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Après recuit, les parties scellées présentent très peu de contrain- tes résiduelles. L'épaisseur de la couche de cuivre 34 ne doit pas être trop forte ; on a constaté qu'une épaisseur de 1,5 millième de pouce (4/100 mm) suffit pour des fré quences comprises entre 100 et 1.000 mégacycles. D'autre part une épaisseur de 3,6 milliè- mesde pouce (9/100 mm) convient pour des fréquences descendant jusqu'à 1 mégacycle. L'épaisseur de la couche de chrome n'est pas spécialement critique, quoiqu'il soit préférable qu'elle soit com- prise entre 0,02 et 0,1 millième de pouce (entre 0,5 et 2,5 milliè- mes de millimètre. Il a été constaté cependant qu'une épaisseur de chrome de 0,05 millième de pouce (1,25 millième de mm) est suffi- sante pour supprimer des petites piqûres qui peuvent se former pendant l'électrolyse.
L'on a vu d'autre part qu'il n'y a pas de relation entre l'échauffement du,scellement lorsque le tube fonc- tionne et l'épaisseur de la couche,de chrome, lorsqu'elle est comprise entre les limites précitées. Cependant, si la couche de chrome est trop épaisse pour des tubes travaillant à de'très hautes fréquences jusqu'à 1.000 mégacycles ou pour des tubes vé- hiculant des courants plus importants à des fréquences plus basses (aux environsde 30 mégacycles), il y aura un effet d'échauffement plus accentué dans la région du scellement dû au fait que les courants à haute fréquence voudront monter jusque dans la. couche de chrome, lorsqu'ils traversent le scellement. La- moins bonne conductibilité du chrome occasionnera des pertes plus élevées.
C&mme il a été décrit ci-dessus, on établit sinsi un type de scellement verre-métal convenant en haute fréquence, qui con- tient immédiatement sous le verre un film métallique 34 non magné- tique et d'une épaisseur telle qu'il Véhicule les courantsà haute fréquence avec un minimum de pertes. De plus, ce scellement verre métal perfectionné contient une couche d'oxyde très adhérente 36 localisée entre le film métallique à haute conductivité 34 et le verre 30. Il faut remarquer aussi que les caractéristiques de dilatation thermique du noyau métallique 32 de dimensions relative- ment imnortantes, surclassent pratiquement entièrement les carac-
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téristiques de dilatation de la pièce métallique complexe formant le scellement.
Ces caractéristiques de dilatation de l'alliage 32 correspondent exactement à celles de la partie en verre 30.
Le scellement détaillé à la figure 2 est non seulement mécanique- ment très résistant mais aussi physiquement d'une grande netteté.
De plus, on peut facilement utiliser la couche de cuivre 34 comme matière à haute conductibilité, parce que le cuivre est une ma- tière suffisamment réfractaire à la chaleur développée pendant l'opération de scellement du verre. En couvrant la couche de cuivre à haute conductibilité 34 d'une couche plus ou moins de protection 36, on obtient une surface métallique unie que les courants à haute fréquence peuvent parcourir avec des pertes relativement réduites. De plus, le scellement verte -métal à recouvrement de chrome est moins critique que les scellements verre-alliage re- couverts de cuivre, au point de vue d'une surchauffe éventuelle et au point de vue des réactions chimiques de parachèvement.
La description précédente,a porté principalement sur un alliage métallique de base tel qu'un alliage fer-nickel-cobalt.
Le noyau principal de la partie métallique du scellement au verre ne doit pas nécessairement être limité à un tel alliage. La compo- sition de ce métal deebase peut êtretnès différente dans le but de satisfaire à des conditions de dilatation thermique spéciales, des caractéristiques de transformation des gaz, des propriétés mécaniques et magnétiques, du prix de revient, etc. De même, la composition de la couche électriquement conductrice 34 peut être différente. La couche de cuivre 34 peut être remplacée par d'autres matières à haute conductibilité,telles que l'argent ou l'or, qui peuvent aussi donner des résultats assez satisfaisants: Cependant l'argent et l'or sont moins réfractaires que le cuivre. On peut même utiliser du chrome au lieu de la couche de cuivre 34.
Dans ce cas; la couche de chrome aura une épaisseur telle qu'elle forme en même temps une couche conductrice et un revêtement d'oxyde donnant avec la partie de verre 30 un scellement très résistant.
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On peut substituer à la couche de liaison d'oxyde de chrome 36 de la figure 2, un oxyde quelconque, pourvu qu'il ait des qualités réfractaires suffisantes ainsi que des propriétés physiques et chimiques telles qu'il adhère mécaniquement à une cou- che intermédiaire appropriée.
C'est ainsi que l'aluminium et ses oxydes peuvent servir d'agent de liaison. Le procédé décrit ci-dessus s'applique égale- ment aux scellements de céramiques autres que le verre. L'opéra- tion de scellement du verre à la couche d'oxyde de chrome 36 peut se faire non seulement au moyen de flammes de gaz àais également par chauffage à induction haute fréquence et dans certains cas par radiation de chaleur, telle que celle d'un four.'
Dans le procédé de formation de scellements verre-métal décrit avec référence à la figure 2, l'alliage 32 peut être nickelé avant cuivrage. On obtiendra ainsi une meilleure liaison entre le métal de base 32 et la couche de cuivre 34. On peut également argenter avant cuivrage. Cependant, on a constaté que cela n'est pas nécessaire.
On peut aussi juger bon d'intercaler une mince couche d'argent électrolytique entre le métal de base 32 et le recouvrement de cuivre 34. Le métal de base 32, avec sa couche d'argent intermédiaire et le cuivre 34, peut être porté à environ 1.000 C de façon qu'il y ait diffusion de l'argent dans l'alliage 32 et dans la couche de cuivre 34. On obtient ainsi un liant résistant et non poreux entre le métal de base 32 et la couche de cuivre 34. Il faut cependant remarquer un défaut du procédé: s'il ya une diffusion importante de l'argent dans le cuivre, la résistan- ce électrique de celui-ci augmentera ainsi que sa résistance mé- canique. Il est bon que le cuivre reste suffisamment ductile pour que ce soient toujours les caractéristiques de dilatation thermi- que de l'alliage qui dominent.
Certains verres très actifs dissoudront très rapidement la couche d'oxyde de chrome 36. Comme résultat, l'oxyde de chrome dis- paraît et le scellement est rarement hermétique ou résistant mé- caniouement. Pour réaliser des scellements verre- métal avec des
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verres aussi actifs, il faut remplacer la couche d'oxyde de chrome 36 par un autres oxyde métallique de liaison. On peut utiliser du nickel au lieu de la couche de chrome 36, l'oxyde de nickel étant assez lentement dissous par ces verres plus actifs. Avec un verre sans plomb, on peut substituer du fer à la couche de chrome 36.
On a constaté que l'oxyde de fer donne un scellement de grande qualité avec la plupart des verres sauf ceux à haute teneur en plomb. Cependant, les verres au plomb dissolvent très lentement l'oxyde de chrome et conviennent très bien avec un liant d'oxyde de chrome.
Le scellement verre-métal décrit ci-dessus avec référence à la figure 2 est constitué de matières déposées en couches qui se pénètrent par diffusion, sur un noyau relativement important cons- titué d'un alliage métallique ayant les caractéristiques thermiques voulues. De plus, les propriétés mécaniques du métal de scellement sont surclassées par celles du noyau métallique massif. La conduc- tibilité électrique, aux courants haute'fréquence, du métal de scel- lement est déterminée par une couche de matière à haute conducti- bilité et les caractéristiques de scellement' au verre sont données par un film d'oxyde stable réfractaire appliqué dans la région où se fait le scellement verre-métal.
REVENDICATIONS ---------------------------
Conducteur de courant à haute fréquence lamellé à sceller à un élément vitreux, comprenant un noyau en alliage métal- lique ayant des caractéristiques de dilatation thermique bien assorties à celles de l'élément vitreux précité, une première cou- che de métal à haute conductibilité électrique fixée à ce noyau d'alliage métallique de façon à former un passage conducteur pour les courents à haute fréquence, et une seconde couche de métal fixée à la surface de la première couche précitée, la surface du métal de cette seconde couche étant oxydée de façon à former scellement avec l'élément vitreux précité.