Découpe de feuilles molybdène pour septum électrostatique étuvable

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1 EUROPEAN ORGANIZATION FOR NUCLEAR RESEARCH CERN - AB DEPARTMENT AB-Note BT Découpe de feuilles molybdène pour septum électrostatique étuvable A. Prost Résumé Dans le but d étuver à 300 C le septum électrostatique ER.SEH10 situé dans la machine LEIR du complexe PS, des fentes ont été réalisées sur les feuilles molybdène constituant la lame septum. Ces fentes ont pour rôle en partie d atténuer les déformations de planéité du à l étuvage. Néanmoins celles-ci procurent des inconvénients pour la haute tension car soumises à des champs électriques élevés. Une étude a été menée afin de déterminer quelle méthode de découpe minimise les bavures des feuilles. Genève, Suisse Janvier, 2005

2 1. Introduction Le septum électrostatique ER.SEH10 utilisé pour l injection dans la machine LEIR requiert des performances de vide très poussées. En effet dans cet accélérateur les pressions à atteindre sont de l ordre de mbar. Afin d obtenir ces valeurs, l enceinte à vide doit suivre un cycle d étuvage à 300 C. La lame septum d une longueur de 768 mm est constituée d un alignement de huit feuilles molybdène de 0.1 mm d épaisseur. Ces feuilles sont tendues sur un support constitué de pièces de matériaux différents [1]. Suite aux contraintes thermiques dues à l étuvage, des ondulations importantes apparaissent en surface de feuille. Ces déformations ne sont pas acceptables, car la planéité de la lame septum doit êtes inférieure au dixième de millimètre afin de ne pas perturber le faisceau injecté dans la machine. Cette note décrit le rôle des fentes et la meilleur méthode pour les réaliser. 2. Rôles et contraintes des fentes Pour atténuer en partie le problème d ondulation, plusieurs fentes de 0.2 mm de large par 12 mm de long et espacées d une distance d environ 10 mm sont faites sur chaque feuille (voir Fig.1). Elles sont situées au niveau de l accroche sur les tendeurs. Ces fentes ont deux rôles, le premier est de minimiser la déformation causée par la soudure faisceaux d électrons entre les feuilles et leurs barrettes titane de maintien. Le second est d absorber les dilatations thermiques des éléments constituant le support de feuille septum lors de l étuvage. La lame septum soumise à des champs électriques très élevés impose une qualité de découpe de feuille avec un minimum de bavure. Cet impératif de découpe est valable pour les fentes, et également pour les jonctions entre feuilles. De plus, les fentes diminuent la résistance mécanique lors de la mise en tension, ce qui rend cette dernière opération plus délicate. Soudure BE de la feuille MO entre les barrettes TI (barrettes servant à l accroche sur les tendeurs) Zones de découpe soumises aux champs électriques Fig. 1. Feuille molybdène découpée et soudée sur ces barrettes de maintien. 2

3 3. Différentes techniques de découpe Par le passé (milieu des années 80), la découpe chimique avait été employée pour les feuilles du septum SEH11. Ce septum était situé dans la machine LEAR et avait des contraintes de vide et de haute tension similaires. Des tests d usinage de feuille molybdène ont été menés suite au développement et à la maîtrise de nouvelles technologies. Ces techniques s avèrent moins onéreuses et plus rapides de mises en œuvre que l usinage chimique Découpe par électroérosion La découpe par électroérosion (découpe à fil) élaborée dans l atelier principal du CERN donne une qualité de finition moyenne. En effet, des imperfections de coupe apparaissent et peuvent nous procurer des pointes d amplification de champs électrique lors de la mise sous haute tension du septum. La photo suivante (voir Fig.2) montre un détail pris par microscope de la fente ainsi réalisé Découpe par jet d eau Fig. 2. Découpe de fente par électroérosion. La découpe par jet d eau à très haute pression a été testée dans les ateliers d une entreprise extérieure. Les résultats obtenus ne sont pas bons. En ce qui concerne les tolérances de côtes, la largeur des fentes ne peut pas être inférieure à 0.5mm. De plus de nombreuses bavures apparaissent et ne conviennent pas pour une utilisation haute tension (voir Fig.3). Fig. 3. Découpe de fente par jet d eau. 3

4 3.3. Découpe à laser La découpe au laser faite au sein de l atelier principal du CERN procure de bons résultats de finition de coupe. Malgré tout, de petites bavures demeurent après usinage (voir Fig.4). Ces bavures peuvent êtres atténuées avec un dépôt de téflon appliqué sur la surface de la feuille avant découpe. Cette solution ne sera néanmoins pas retenue, car le nettoyage (en vue d une utilisation dans l ultra vide) de la couche téflon après découpe s avère très difficile Découpe chimique Fig. 4. Découpe de fente au laser. L usinage chimique a été mené en collaboration avec les ateliers de sérigraphie et de traitement de surface du CERN. Les résultats se sont révélés de très bonnes qualités, tant pour les tolérances de côtes, que pour la qualité de coupe (voir Fig.5). Cette technique est similaire à la méthode de fabrication des circuits imprimés. Une protection photorésist est appliquée sur la feuille pour délimiter la zone de découpe, puis l attaque chimique est réalisée. Cependant, plusieurs difficultés liées à la fabrication sont apparues. Pour des raisons de protection de l environnement un nouveau masque de gravure a été utilisé. Le masque photo-résist KMER, anciennement employé pour la réalisation des feuilles septum du SEH11 de la machine LEAR, à été remplacé par un produit du fournisseur OCG, celui ci a rendu l usinage plus complexe et plus long car il est plus sensible à l attaque chimique. Les feuilles molybdène polies au préalable rendent le masque photo-résist difficile à adhérer. De plus ce masque doit être appliquée de manière uniforme sur toute la surface. Ci cela n est pas le cas, de petites attaques chimiques peuvent apparaître dans les zones soumises à la haute tension, lors de la gravure. Ces attaques/imperfections sont sources d amplification de champ électrique local ce qui génèrent des claquages durant l utilisation du septum et diminuent la tenue en tension de l équipement. Elles fragilisent également les feuilles en diminuant leurs résistances mécaniques lorsqu elles sont situées à proximité des fentes. Les produits employés pour cette réalisation de découpe sont les suivants : Masque de gravure : OCG, réf HPIR 6512 Usinage chimique : Acide nitrique à 62%, 50% en volume. Acide lactique a 90%, 25% en volume. Eau déminéralisée, 25% en volume. 4

5 3.5. Découpe cisaille Fig. 5. Découpe de fente chimique. Ce type d usinage ne peut être utilisé que pour des contours de feuilles. En effet des fentes ne sont pas réalisables avec la cisaille. Cependant les septa SEH23 et SEH31 utilisés dans l accélérateur PS sont équipés de feuilles en Molybdène sans fentes, car ceux ci ne sont pas étuvables. Il est intéressant de souligner qu avec un couteau de cisaille bien affûté, cette technique nous donne les meilleurs résultats de finition pour les jonctions de feuilles (voir Fig.6). Fig. 6. Découpe de feuille à la cisaille. 4. Conclusion Malgré les difficultés rencontrées lors de l usinage chimique, cette méthode de fabrication donne les meilleurs résultats concernant la qualité de finition de coupe demandée. Pour l application liée au septum ER.SEH10 la solution de l usinage chimique a été retenue. Une solution mixte pourrait être envisagée : une solution qui regroupe la découpe cisaille pour le périmètre des feuilles, et la découpe laser ou électroérosion pour les fentes. Cette solution mixte peut uniquement être employé sous condition de protéger les fentes de l exposition au champ électrique. L avantage de cette solution mixte, est d allier la rapidité d exécution du laser ou de l électroérosion et la finition sans bavure de la coupe cisaille. 5

6 5. Remerciements Cette investigation de différente méthode de découpe n aurait pas été possible sans l appui des ateliers de mécanique, de sérigraphie et de traitement de surfaces du CERN. L auteur tient à remercier les intervenants. Références [1] J.Borburgh, M.Hourican, A.Prost, Final Results on the CERN PS Electrostatic Consolidation Program, proc. PAC2001, Chicago, USA. 6