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Tube accélérateur de particules contenant des condensateurs d'un multiplicateur de tension.
La présente invention concerne un tube accélérateur de particules possédant au moins une anode et une cathode, entre lesquelles une différence de potentiel est appliquée, dans le but d'accélérer des particules chargées négativement ou positivement.
Un exemple de schéma connu d'un multiplicateur de tension est représenté à la figure 1.
Pour la clarté des dessins, des multiplicateurs à trois étages ont été représentés. Ces multiplicateurs peuvent comporter un nombre quelconque d'étages.
Dans le schéma de la figure 1, une tension alternative est appliquée entre les points c et b, le potentiel du point c étant maintenu à une valeur proche de la masse.
Une tension négative continue élevée apparaît au point a. Le fonctionnement de ce circuit est connu, il n'est pas nécessaire de l'exposer en détail.
Dans les applications les plus courantes, les particules accélérées sont des électrons, et l'anode est raccordée au potentiel de la masse.
Les textes et dessins de ce document sont réalisés dans cette optique.
Dans le cas où des particules chargées positivement seraient accélérées, la cathode serait au potentiel de la masse. La polarité des diodes 7 à 12 serait inversée et la tension en a serait positive.
Lorsque le multiplicateur de tension est optimisé, les condensateurs 1, 3 et 5 ont des valeurs de capacité en progression arithmétique.
Les condensateurs 2,4 et 6 ont également des valeurs de capacité en progression arithmétique, en général plus importantes que les capacités 1,3 et 5.
L'inconvénient principal du schéma de la figure 1 est que les tensions continues sur les condensateurs 5,3 et 1 sont en décroissance géométrique, dans cet ordre, lorsque le circuit délivre de la puissance. Ceci limite le nombre d'étages de ce type de multiplicateur.
Dans le schéma de la figure 2, les condensateurs 13,14 et 15 ne sont pas raccordés en série, de telle sorte que chaque étage du multiplicateur bénéficie de la pleine amplitude de la tension alternative appliquée entre c et b. Dans ce circuit, les valeurs des capacités 13,14 et 15 peuvent être beaucoup plus faibles que dans le cas de la figure 1, et ont en général des valeurs de capacité identiques.
Les capacités 1,3 et 5 sont du même ordre de grandeur que dans le cas de la figure 1, et déterminent principalement l'ondulation résiduelle, présente sur la haute tension en a.
Les tensions sur les condensateurs 1, 3 et 5 étant du même ordre de grandeur, des chutes de tension en charge plus importantes sont admissibles, et les temps de conduction des diodes 7 à 12 sont plus grands que dans le schéma de la figure 1, ce qui facilite la commutation des diodes et permet une plus haute fréquence d'utilisation.
Le schéma de la figure 2 permet également de réaliser des multiplicateurs à
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beaucoup plus grand nombre d'étages. e
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Les schémas des figures 1 et 2 représentent des solutions de multiplicateur monophasé.
Ces multiplicateurs sont également connus en version polyphasée.
La figure 3 montre le schéma d'une réalisation diphasée. Les tensions alternatives entre c-b et c-b'sont de même amplitude et déphasées de 180 degrés. Les condensateurs 13', 14'et 15'ont des valeurs de capacité identiques à celles de 13,
14 et 15.
Les valeurs des capacités 1,3 et 5 peuvent être identiques, et de plus faible valeur, pour une même tension d'ondulation résiduelle en a.
Des configurations triphasées ou N-phasées peuvent être réalisées, par ajout de condensateurs identiques à 13', 14'et 15', et ajout des diodes correspondantes, branchés de manière identique sur les condensateurs 1,3 et 5. (Cas non représenté).
Des multiplicateurs de tension polyphasés ont également été réalisés dans lesquels les condensateurs 1, 3 et 5 sont absents. La figure 4 représente un exemple de réalisation diphasée, où des tensions alternatives déphasées de 180 degrés sont appliquées entre c et b et entre c et b', et où la haute tension est disponible en a.
Les techniques permettant d'assurer à l'intérieur d'un tube à vide l'isolation entre la cathode et l'anode, le long de la surface isolante de son enceinte sont par ailleurs également connues.
Comme la longueur d'isolement nécessaire augmente plus rapidement que la valeur de la haute tension, une technique existante est de fractionner cette tension en interposant perpendiculairement au gradient de tension des éléments métalliques conducteurs, raccordés à des potentiels intermédiaires.
Dans le présent tube accélérateur de particules, dont un exemple est représenté à la figure 5, la forme des éléments conducteurs intermédiaires intercalés dans la partie isolante de l'enceinte du tube entre l'anode et la cathode a été adaptée, et une électrode a été ajoutée, en vue de former une série de condensateurs situés à l'intérieur de l'enceinte à vide du tube.
Ces condensateurs sont raccordés, à l'extérieur de l'enceinte du tube, à des diodes et à d'autres condensateurs, ou seulement à des diodes, en vue de réaliser un multiplicateur de tension destiné à produire la haute tension alimentant le tube.
A l'intérieur du tube, l'espace d'isolement qui doit d'office exister est ainsi utilisé également comme diélectrique des condensateurs du multiplicateur de tension.
Ceci permet de réaliser un ensemble particulièrement compact, par exemple pour la réalisation d'un générateur de rayons X.
Dans une des réalisations, le tube accélérateur de particules est construit selon le dessin de la figure 5, qui représente une coupe radiale du tube, et une vue schématique des autres éléments de circuit.
Ce dessin représente un tube avec multiplicateur de tension à trois étages partiellement incorporés. Le système peut en pratique comporter un nombre quelconque d'étages.
Le tube présente, en général, une symétrie de révolution, autour de l'axe 16.
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La partie 17 de l'enceinte du tube est en général métallique, et raccordée à un potentiel voisin de la masse. L'anode 18 est également à un potentiel voisin de la masse, une résistance de mesure du courant pouvant éventuellement être branchée entre ces éléments 17 et/ou 18 et la masse.
La partie 20 de l'enceinte est également principalement métallique, et est raccordée à la cathode 19 ou à un potentiel voisin. La cathode 19 est raccordée à la sortie haute tension a du multiplicateur de tension.
Le tube peut comporter plusieurs anodes ou cathodes.
Les pièces cylindriques 21,22, 23, 24 et 25, qui font partie de l'enceinte du tube, sont en céramique, en verre ou dans tout autre matériau isolant permettant de réaliser une soudure verre-métal étanche au vide, existant à l'intérieur de l'enceinte.
Le dessin est schématique, et ne prend pas en compte les contraintes sur l'enceinte, liées, par exemple, à la résistance aux différences de pressions entre l'intérieur et l'extérieur du tube.
Le dessin ne tient pas non plus compte d'autres détails de la réalisation mécanique : Les condensateurs 1,3 et 5 et les diodes 7 à 12 sont en général immergés dans un fluide isolant tel que une huile minérale ou un gaz sous pression. L'extérieur de la partie 17 de l'enceinte peut être dans l'air à la pression atmosphérique.
Les condensateurs 1, 3 et 5 sont à isolant solide, papier, film, céramique ou autre.
Ils peuvent être fixés sur un ou des circuits imprimés comportant aussi les diodes ou sont montés et raccordés de toute autre manière. Chaque groupe de deux diodes, par exemple 7 et 8, et son condensateur associé, par exemple 1 est monté à l'intérieur de l'électrode 27 correspondante, ce qui minimise les gradients de potentiel à l'intérieur des circuits de chaque étage.
Le tube accélérateur de particules est équipé d'un jeu d'électrodes cylindriques 26, 27,28 et 29, électriquement isolées entre elles, et isolées de la masse.
Les électrodes 27,28 et 29 sont respectivement raccordées aux diodes 7 à 12 de chaque étage du multiplicateur de tension, comme indiqué à la figure 5.
Une tension alternative est appliquée à l'électrode 26, entre les points c et b.
Le point c et/ou l'anode de la diode 12 sont directement raccordés à la masse ou sont raccordés à la masse par l'intermédiaire d'une résistance de mesure du courant.
L'ensemble représenté à la figure 5 constitue un multiplicateur de tension selon le schéma de la figure 2.
L'électrode 26 constitue l'ensemble des armatures de gauche des condensateurs 13, 14 et 15 de la figure 2.
Les électrodes 27,28 et 29 constituent respectivement l'armature de droite des condensateurs 13, 14 et 15 de la figure 2.
Ces électrodes 27,28 et 29, en plus de leur fonction d'armature de condensateur, permettent de définir des potentiels intermédiaires le long de la ligne de fuite sur la surface isolante, entre l'anode et la cathode
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Une variante de la réalisation est partiellement représentée à la figure 6 Dans cette construction, le diamètre des électrodes 28 et 29 est progressivement augmenté par rapport au diamètre de l'électrode 27, ce que permet la tension continue progressivement plus faible, et donc la plus faible distance d'isolement requise, vis à vis de l'électrode 26.
La hauteur de ces électrodes 28 et 29 est progressivement diminuée, de manière à maintenir les valeurs de capacité au même ordre de grandeur vis à vis de l'électrode 26.
Cette construction peut permettre un ensemble plus compact, à tension et puissance de sortie égale.
Dans une troisième variante non représentée, chacune des électrodes 26,27, 28 et 29 des figures 5 ou 6 est scindée en deux segments de dimension angulaire légèrement inférieure à 180 degrés, chacun des segments étant isolé des autres.
Ces segments sont raccordés selon un des schémas de la figure 3 ou 4, pour former un multiplicateur diphasé.
Dans une quatrième variante, les électrodes sont scindées en N segments pour former un multiplicateur polyphasé de N phases.