Dispositif présentant au moins une jonction entre un métal et des éléments isolants La présente invention a pour objet un dispositif présentant au moins une jonction entre un métal et des éléments isolants rigides à la température de jonction. On n'envisage évidemment que des isolants qui ne sont pas fluides à la température à laquelle les jonctions sont établies.
De tels isolants devront presque toujours pré senter certains caractères tels que l'étanchéité aux gaz et la capacité de se sceller au métal d'une manière étanche aux gaz. De plus, à un point de vue com mercial, il est désirable que la matière soit peu coûteuse et facile à produire sous une forme désirée quelconque. Certains types de matières céramiques satisfont assez bien à ces conditions et présentent l'avantage complémentaire d'une bonne résistance mécanique. On peut employer des corps en oxydes frittés ou fondus non poreux, en particulier quand on désire des propriétés électriques spéciales.
Le dispositif faisant l'objet de l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux élé ments isolants ayant des parties d'extrémité corres pondantes, une pièce métallique ayant une partie plate qui correspond aux faces extrêmes desdites parties d'extrémité, des moyens de centrage s'éten dant de part et d'autre du plan de ladite partie plate à l'extérieur des éléments isolants et agencés pour centrer la pièce métallique radialement par rapport aux deux éléments isolants, et une matière de jonc tion intermédiaire pour sceller lesdites parties d'extré mité aux faces correspondantes de ladite partie plate.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, diverses formes d'exécution du dispositif selon l'in vention et une variante. Les fig. 1, 2 et 3 sont des coupes d'éléments susceptibles d'être utilisés dans ces formes d'exé cution. Les fig. 4 à 9 sont des coupes de six formes d'exécution. La fig. 10 est une coupe de la variante. Si l'on se réfère maintenant à la fig. 1, on voit un disque métallique qui comporte à sa périphérie un certain nombre de pattes 1a et lb, les pattes la et lb étant alternées et étant repliées respectivement vers le haut et vers le bas à angle droit.
Le disque 1 peut alors être utilisé pour former une jonction à disque entre deux constituants cylindriques isolants en céramique, par exemple en porcelaine, les pattes la et lb servant à centrer radialement le disque par rapport à ces constituants en butant contre leurs pourtours extérieurs.
Le disque 2 représenté à la fig. 2 est fendu le long de sa périphérie pour former une paire de collerettes<I>2a</I> et<I>2b</I> qui sont déformées, par exemple par laminage, pour prendre les positions représen tées, de façon à former des collerettes périphériques de centrage.
Le disque 3 représenté à la fig. 3 est muni d'une collerette de centrage séparée 3a s'étendant de part et d'autre de son plan médian. La collerette 3a peut être appliquée sur le disque par pressage. Un con tact électrique et une rigidité meilleurs peuvent en core être obtenus si on brase la collerette sur le disque, par exemple avec du cuivre. Le dispositif représenté à la fig. 4 comprend trois disques 3 du type représenté à la fig. 3 et comportant des rebords intérieurs 3b, assemblés entre des éléments céra miques cylindriques 4 dont les faces d'extrémité ont été aplanies par meulage. Les faces extérieures des éléments 4 sont aussi meulées de façon à s'adapter à l'intérieur des collerettes 3a des disques 3.
Chaque élément céramique peut avoir une forme quelconque mais est généralement un cylindre ou un cône et peut comporter des écrans de protection contre les décharges à haute tension. Les éléments isolants 4 sont préparés par meulage pour aplanir les extrémités qui forment les faces de scellement. On meule chaque surface cylindrique extérieurement au moins sur la petite distance sur laquelle s'effectue le contact avec la collerette de centrage 3a. Une pré paration complémentaire dépend du procédé de jonc tion qui doit être employé et peut consister en une pré-vitrification, un émaillage ou une pré-métallisa- tion par revêtement contrôlé avec les matières cor respondantes. Les disques métalliques 3 peuvent nécessiter une préparation analogue.
Comme dans beaucoup d'assemblages, il n'est pas possible de ma nipuler l'intérieur du système scellé, des électrodes ou supports d'électrodes sont réunis aux disques métalliques 3 avant la jonction.
Les éléments céramiques 4 sont placés à l'inté rieur des collerettes de centrage 3a des disques mé talliques et, ainsi empilés, ils sont placés dans un four dans lequel s'effectue la jonction. On peut uti liser dans le four des atmosphères de gaz inertes ou réducteurs. Certains procédés de scellement, par exemple ceux utilisant des jonctions au titane ou au zirconium, sont effectués dans un four et sous vide.
L'assemblage est chauffé à partir de la tempéra ture ordinaire jusqu'au-dessus du point de ramol lissement de l'agent de scellement puis est refroidi. A la température à laquelle l'agent de scellement coule, les assemblages empilés se tassent et la ma tière de jonction en excès est refoulée latéralement en laissant une pellicule pour constituer la jonction étanche aux gaz. On peut charger d'un poids l'assem blage empilé. Le déplacement des éléments en toute direction autre que la direction axiale pendant la jonction est empêché par les collerettes de centrage.
Après enlèvement du four, d'autres électrodes peuvent être montées- sur les rebords 3b ou sur des languettes de support et l'assemblage peut être soudé ou brasé dans une enveloppe principale. Pour la plupart des applications le centrage des éléments de la manière décrite ci-dessus est d'une précison suf fisante. Il en est en particulier ainsi pour les élé ments céramiques qui font partie d'une enveloppe pour laquelle une précision radiale supérieure à celle fournie par le centrage de la collerette est sans effet sur le fonctionnement des dispositifs.
Pour sceller la jonction isolant-métal, on peut utiliser l'une quelconque des matières de jonction connues. Dans le cas de jonctions à faible résis tance mécanique, telles que celles entre un métal et des émaux vitreux ou du verre, un équilibrage des dilatations est désirable. On peut utiliser des matières de jonction métalliques, leur nature dépendant de l'utilisation du dispositif. Par exemple, pour l'utili sation dans des tubes à vide, les alliages de brasure doivent être des matières à faible tension de vapeur. Les agents de jonction tels que le titane et le zir conium, le tungstène-nickel, le molybdène-fer, peu vent être utilisés pour réaliser des couches de tran sition entre les éléments céramiques et métalliques.
A l'extrémité d'une structure d'enveloppe céra mique, on peut utiliser comme dernière jonction une jonction à disque entre un élément céramique cylin drique et un chapeau céramique. En variante, un élément métallique peut terminer la construction et servir aussi de support d'électrodes, comme repré senté à la fig. 5. Dans ce cas, un cylindre céramique 5 est assemblé avec un disque métallique 6 muni d'une collerette de centrage externe double 6a et repoussé pour former une cloche 7 à travers laquelle est scellé un conducteur ou une électrode 8, par exemple par soudure.
Les contraintes exercées sur la jonction, entre le disque 6 et le cylindre 5, résul tant par exemple d'une différence de dilatation ther mique entre la matière céramique et le métal, sont réduites par l'insertion d'un autre élément céramique 9 sous forme de bague ou de cylindre court scellé au disque 6 sur la face opposée à celle orientée vers le cylindre 5.
La fig. 6 montre une forme d'exécution com prenant une jonction à disque à l'extrémité d'une enveloppe céramique 10 et destinée à relier l'en veloppe 10 à une enveloppe de matière différente, par exemple d'acier. Un disque métallique 11 com porte une longue jupe 12 sur la périphérie de laquelle sont formés des enfoncements 13 pour constituer une collerette de centrage " tandis qu'une autre collerette de centrage 14 s'étend dans l'autre sens. Le disque 11 est scellé entre l'enveloppe 10 et une bague céra mique 15 pour réduire les contraintes sur la jonction entre le disque 11 et l'enveloppe 10. La jupe 12 est soudée à une partie d'une enveloppe métallique 16.
Quand on utilise une cloche telle que 7 de la fig. 5 pour relier la jonction à disque à un conducteur ou à une électrode de matière différente, comme représenté à cette figure par exemple, la cloche doit avoir une certaine longueur pour réduire à une valeur acceptable les contraintes appliquées à la jonction sous l'effet de différences de dilatation. La fi-. 7 montre une forme d'exécution dans laquelle les contraintes sont réduites à une valeur acceptable et qui occupe moins d'espace qu'une construction à cloche. Dans ce cas, un disque métallique 17 est scellé entre deux cylindres céramiques 18 et 19 et est muni intérieurement d'un certain nombre de pattes 20 orientées vers l'intérieur et formées par décou page du reste de la matière du disque.
Les pattes 20 sont alors repliées en dehors du plan du disque et leurs extrémités sont soudées ou fixées d'une autre façon à une électrode 21. Les pattes peuvent être profilées et de section amincie de façon que, tout en étant suffisamment fortes pour supporter l'élec trode, elles n'entraînent pas de contraintes excessives dues à la fixation à cette électrode.
La fi-. 8 montre une forme d'exécution compor tant une enveloppe céramique à joints multiples, dans laquelle des disques métalliques 22 sont scellés entre des cylindres céramiques 23, l'assemblage étant ana logue à celui représenté à la fi-. 4 et l'opération de jonction étant identique. On remarquera qu'un cer tain jeu est inévitable entre les faces internes des collerettes 22a et les faces externes des cylindres 23 et qu'il est possible qu'une erreur cumulative d'alignement se produise si les collerettes constituent le seul moyen de centrage pour les disques 22.
Dans les cas où une telle erreur n'est pas, acceptable, on utilise un guide composé d'une partie de base 24 sur laquelle repose l'assemblage, et d'une autre partie associée 25 qui entoure tout l'assemblage et maintient en position les collerettes 22a avec précision les unes par rapport aux autres. Le guide peut être en graphite ou en une autre matière réfractaire.
La fig. 9 montre une forme d'exécution cons truite également au moyen d'un guide. Elle comprend des disques 26 présentant des ouvertures coaxiales de dimensions progressivement décroissantes d'une extrémité à l'autre du dispositif représenté. Dans ce cas, on utilise un guide 27 ayant des parties qui s'adaptent dans les diverses ouvertures en maintenant ainsi les disques 26 en alignement correct pendant l'opération de jonction c'est-à-dire quand ils sont scellés aux cylindres céramiques 28.
Dans beaucoup d'applications, les éléments céra miques sont de forme sensiblement cylindrique. La fig. 10 montre une variante de cylindre céramique. Ce cylindre 29 comprend un rebord en saillie 30 à chaque extrémité et, lors du meulage pour son adap tation à l'intéreiur de la collerette d'un élément métallique, seule la matière de la zone 30 est meu lée, la surface externe intermédiaire 31 du cylindre étant laissée dans son état primitif. Cette forme de cylindre céramique convient particulièrement bien quand la surface 31 est glacée.
On peut utiliser des combinaisons métal-isolant à dilatation équilibrée et aussi un métal mou non équilibré lié à l'isolant par un procédé connu de scellement, par exemple au moyen de verre ou de métal à braser.
L'utilisation de doubles collerettes de centrage pour les pièces métalliques permet d'établir les jonc tions par empilage dans un four et sans emploi de guides, les surfaces externes des éléments céramiques devant seulement présenter des dimensions précises, ce qui facilite les opérations de meulage quand celles- ci sont nécessaires.
On peut obtenir ainsi des dispositifs complexes à plusieurs joints par simple empilage dans un four, d'une manière simple et sans utiliser des guides compliqués.
Quand, dans un dispositif à plusieurs jonctions telles que celles décrites, une de celles-ci forme l'extrémité d'un ensemble, il est possible de sceller la partie annulaire de la pièce métallique à un seul isolant, mais on a observé que la résistance de la jonction est alors réduite, en particulier si le diamètre dépasse environ 25 mm. C'est pourquoi, dans une jonction terminale, on a avantage à sceller la pièce métallique sur une face à l'élément isolant final fai sant partie d'une enveloppe étanche aux gaz et aussi sur l'autre face à un élément isolant supplémentaire qui ne fait .pas partie de l'enveloppe elle-même.
Une jonction isolant-métal peut être utilisée dans tout dispositif connu comprenant des jonctions du type verre-métal ou d'autres types de jonctions à haute température, et généralement cela permet de simplifier les opérations de fabrication. C'est le cas en particulier dans les dispositifs à décharge com prenant un grand nombre de conducteurs pénétrant dans l'enveloppe sous vide. Par exemple, les tubes accélérateurs destinés à être utilisés dans les géné ratrices électrostatiques à courroie (telles que les machines Van de Graaf) peuvent nécessiter l'entrée d'un conducteur de métal tous les 25 mm ou à peu près, sur toute la longueur du tube (qui peut être de l'ordre d'un mètre ou plus), vers des surfaces ayant des potentiels différents.
Un tel tube peut être établi par empilage de ses éléments dans un four, sans guide, avec des jonctions à disques portant les élec trodes. Les extrémités peuvent se terminer dans des collerettes pour la réunion à un système à vide, par exemple, ou peuvent recevoir des fermetures per manentes pour l'utilisation à l'état scellé.
Des dispositifs à jonctions telles que celles dé crites, qui sont destinés à être utilisés dans. des re dresseurs à arc au mercure, dans des tubes électro niques à plusieurs électrodes, dans des transforma teurs remplis de liquide ou de gaz et dans des con densateurs, sont avantageusement terminés par une pièce métallique et équipés, après scellement de cette pièce, d'électrodes ou de connexions ; ils sont ensuite scellés par des joints métalliques à une enveloppe principale ou à un récipient.
Les dispositifs décrits peuvent être scellés de façon à former une enveloppe complète dans une atmosphère convenable, après avoir reçu des élec trodes, l'opération d'évacuation étant seulement faite ultérieurement. En variante, en faisant les scellements dans un four sous vide avec des joints brasés, on peut sceller et fermer de tels dispositifs dans le four et les retirer du four à l'état fini.