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PERFECTIONNEMENTS AUX GENERATEURS DE RAYONS X.
La présente invention se rapporte à des perfectionnements apportés aux dispositifs à décharge électronique et aux appareils d'alimentation et de réglage correspondants en vue de produire les rayons X, et plus particulière- ment les rayons durs sous des tensions de l'ordre de 500.000 volts et au-dessus.
Les caractéristiques de l'invention ont surtout trait à des perfectionnements des tubes, à leur montage par rapport aux dispositifs d'alimentation, à ces derniers, à des moyens de protection contre la rupture de l'isolement de l'é- quipement, à des moyens de réglage de la température de la cathode et du débit du tube et à des moyens permettant d'améliorer le facteur de puissance du cou- rants d'alimentation.
Suivant la forme de réalisation préférée, l'équipement comporte une enveloppe remplie d'huile et contenant un transformateur à haute tension
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ainsi que l'extrémité cathodique du tube, l'extrémité anodique faisant saillie à l'extérieur.
Il est entendu que les moyens de l'invention peuvent s'appliquer non seulement aux équipements à rayons X mais à l'alimentation et au montage de tous autres dispositifs à décharge fonctionnant à des tensions élevées.
On comprendra mieux les caractéristiques nouvelles et les avanta- ges de l'invention en se référant à la description suivante et aux dessins qui raccompagnent, donnés simplement à titre d'exemple non limitatif et dans les- quels t
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La Pigol représente un appareil conforme à l'invention.
La Fig.2 en est une vue en plan. ta ?ig.3 est une vue fragmentaire montrant les détails de bkbn- oonstruetion.
Les Flg*4, 5 et 6 représentent des détails de l'anode.
La Pigo7 est une coupe suivant la ligne 7-7 de la Fig.2.
La F'ig.8 est un sohéma du circuit.
La ig,9 est un diagramme des composantes du courant d'alimenta- tion.
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La Fig,10 est une coupe analogue à celle de la Fig.l.
La Fig.ll est une coupe transversale du noyau magnétique.
La Fig.l2 est un circuit équivalent.
Sur la Fig.1. on voit une cuve 10, de préférence étanche au vide.
La forme donnée à cette enveloppe est telle qu'elle permet le minimum d'encombre- ment; elle est remplie d'huile ou d'un autre isolant liquide ou gazeux* Pour permettre l'introduction et l'extraction faciles du milieu isolant, l'enveloppe comporte à son point le plus haut une conduite 12 en liaison avec un réservoir d'expansion, et à son point le plus bas un robinet de drainage 13. Comme'appa- reil doit pouvoir tourner autour d'un ou plusieurs axes et être d'autre part transportable, l'enveloppe doit comporter des crochets appropriés tels que ceux
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désignés par 14 sur la Figi .4; ils sont de préférence située sur une ligne passant près du centre de gravité de l'ensemble.
A l'intérieur de la cuve est monté un transformateur qui comporte un noyau feuilleté 16 placé dans des logements prévus à cet effet. Le primaire de ce transformateur est formé par une hélice de ruban de cuivre 18 enroulée
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sur une branche du noyau; un manchon isolant 19, en papier imprégné par exemple, est interposé entre cet enroulement et les tôles. Les connexions à la source
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extérieure sont effectuées par les lampe 22 et 23 reliées aux conducteurs d'ame- née scellés dans la paroi de l'enveloppe.
Dans le dispositif représenté à titre d'exemple, le secondaire du transformateur comporte une bobine 26 dont une extrémité est supportée par la paroi inférieure 27 de la cuve à laquelle elle est électriquement connectée, de préférence par l'intermédiaire d'un appareil de mesure, par exemple à l'aide d'un conducteur 28, ce dernier, désigné par 134, est visible sur la fig.10.
L'extrémité supérieure du secondaire 26 est sensiblement éloignée de la paroi de la cuve et elle est portée à un potentiel élevé par rapport à l'en veloppe et aux diverses parties métalliques qui lui sont connectées. Cette ten- sion pouvant être supérieure à 500.000 volts, on conçôit qu'il existe des efforts électrostatiques considérables entre les spires supérieures de la bobine et les éléments de l'appareil qui sont au potentiel de la masse.
Pour réduire ces efforts et accroître l'uniformité du champ électrostatique existant à l'intérieur de l'en veloppe, on peut prévoir un écran électrostatique conducteur 30 ayant un grand rayon de courber Cette écran 30 peut comporter des parties métalliques supérieure et Inférieure destinées à enfermer diverses parties de l'équipement*
Le tube proprement dit est constitué par une enveloppe allongée formée au moins en partie en verre ou en une autre matière vitreuse et munie, à ses extrémités opposées, de bornes connectées aux électrodes* Plus particulière- ment, l'enveloppe du tube est constituée par des sections isolantes espacées 35 (fig,l), en varre par exemple, et comportant des parties métalliques interposées 36 qui leur son): scellées.
A l'extrémité de l'enveloppe qui pénètre à l'intérieur de l'en- ceinte 10, se trouve la cathode formée par un filament 37 et une pièce de concen- tration 38 des rayons cathodiques (fig.3) que l'on décrira plus loin. A l'antre extrémité du tube se trouve l'anode consistant en un cylindre métallique allongé 40; entre ces électrodes principales sont disposées un certain nombre d'électro- des 41, de préférence uniformément espacées et formées par des pièces tubulaires conductrices;
elles sont supportées par les parties conductrices 36 de l'envelop- pe qui constituent les bornes d'alimentation des dites électrodes intermédiaires,
Suivant l'invention, le tube est prévu de telle sorte que son are principal soit perpendiculaire à celui de la bobine 26, l'extrémité catho- dique du tube étant adjacente à l'extrémité supérieure de la bobine, tandis que l'extrémité anodique fait saillie à l'extérieur et est supportée par la paroi de la cuve 42 4 Pour assurer une répartition uniforme du potentiel sur toute la
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longueur du tube à rayons X, on a prévu des connexions entre les électrodes 41 et des prises appropriées sur la bobine 26 du transformateur.
La montage dit tube par rapport à la bobine permet d'effectuer ces connexions de telle manière qu'il n'y ait aucun danger de claquage. Pour augmenter la sécurité, on peut d'ailleurs prévoir les conducteurs 45 sous forme de tiges ou tubes conducteurs à diamètre relativement élevé. On peut de plus Incorporer dans les conducteurs 45, des sections à haute résistance 46, ces sections limitant le courant susceptible de passer dans le cas où se produiraient des étincelles.
En cours de fonctionnement, les électrodes Intermédiaires succes- sives sont portées à des potentiels progressivement croissants par rapport à la cuve. et des champs radiaux intenses existent entre ces électrodes et les pa- rois de la cuve. Par suite du faible rayon de courbure de ces électrodes et de l'inégalité des constantes diélectriques du vide à l'intérieur de l'enveloppe et de l'huile ou des autres diélectriques utilisés, il peut s'établir des gra- dients de potentiel extrêmement élevés au voisinage des surfaces d'électrodes.
Aux fortes tensions. d'utilisation, ces gradients peuvent, en l'absence de tout moyen de protection, être suffisants pour provoquer des décharges dans le sens radial, pouvant entraîner la perforation des parois.
Pour éviter ces inconvénients, on peut prévoir des moyens de blin- dage électrostatique de ces électrodes, tout au moins les plus proches du poten- tiel cathodique. Ces dispositifssont constitués par exemple par des pièces tubu- laires 47 d'un rayon de oourwbure relativement grand et électriquement connectées à certaines ou à toutes les électrodes à haute tension. Comme représenté, chacu- ne de ces pièces est telle qu'elle ne présente aucun bord aigu, et elles sont placées entre les électrodes intermédiaires correspondantes et la paroi de l'en- veloppe.
Par suite de cette forme appropriée des pièces 47 et de leur réparti- tion dans le diélectrique extérieur au tube, on évite de forts gradients locaxx de potentiel et par conséquent le danger de plaquages
Ces divers écrans sont supportés par un cylindre isolant 48 cons- titué par exemple par du papier imprégné de gomme laque. Ce cylindre est disposé entre l'enveloppe du tube et les écrans et il peut être fixé de telle manière qu'as empêche tout mouvement de rotation du cylindre en le verrouillant sur la pièce creuse 30. Les connexions entre les écrans et les bornes 36 peuvent être effectuées par des contacts élastiques dont la nature et la fonction seront décrites plus loin.
La Fig.4 montre certains détails de construction du tube et plus
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particulièrement l'anode qui est constituée par un tube métallique allongé 40 terminé, à son extrémité gauche par une forte plaque métallique 49 inclinée sur l'axe principaldu tube, Cette plaque comporte au centre une anti-cathode 50 éta- blie en tungstène par exemple. En cours de fonctionnement, le flux électronique est concentré sur l'anti-cathode 50 par une bobine magnétique 52 placée de telle sorte que son axe coïncide avec celui du tube, la bobine étant alimentée de tou- te manière appropriée. La plaque 49 est maintenue à une température inférieure au point de fusion de l'anti-cathode grâce à une circulation dteau ou tout autre liquide équivalent.
Un dispositif particulier destiné à assurer la circulation est représenté sous forme d'un tube 51 enroulé en hélice autour de l'anode et se terminant dans une série de chambrer en quinconce prévues sur la surface exté- rieure de la plaque 49. De ces chambres, le fluide s'échappe par une ouverture 48 vers l'espace annulaire compris entre le tube anodique 40 et le manchon 54.
Il est ensuite évacué par la connexion 56 représentée fig.5.
La protection contre les rayons erratiques est assurée par une gaine de plomb 57 qui est recouverte extérieurement par une enveloppe métalli- que 64 ; cette gaine à son épaisseur maxima dans la région voisine de l'anti-ca- thode, Les rayons s'échappent par une fenêtre fermée par une mince partie métal- lique 58. Pour faire varier la direction du faisceau, le tube peut tourner par rapport à la cuve 10, comme on le voit Fig.4 qui représente,en effet,le palier 59 dont les surfaces comportent une garniture étanche à l'huile 60. L'élément mobile de ce palier est connecté à une roue dentée 61 qui supporte l'ensemble du tube, grâce au rebord 62. La roue 61 peut être entraînée par une vis sans fin 63.
Pour que la rotation du tube n'apporte aucune perturbation dans les connexions électriques entre les électrodes 41 et la bobine 26, ces con- nexions peuvent être assurées par des contacts élastiques 65 glissant sur les faces externes des parties métalliques 36 de l'enveloppe, comme on le voit fig.4 et 6. Les conducteurs 45 sont assujettis aux écrans fixes. Les connexions cathodiques peuvent avoir suffisamment de flexibilité de telle aorte qu'il n'y a aucune précaution particulière à prendre pour leur permettre de tourner,
La cathode elle-même, représentée en détail Fig.3, comporte un filament 37 et une pièce de concentration 38 en métal. Des conducteurs d'amenée Isolés 68 et 69 alimentent le filament, et un conducteur analogue 70 est fixé à la pièce de concentration.
Le courant de chauffage du filament eat prévelé sur un enroulement 71 à quelques spires, enroulées autour de la bague isolante 32 et qui constituent pratiquement un prolongement de la bobine secondaire 26 (voir fig. 1 et 7).
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L'extrémité cathodique du tube est placée au voisinage de l'extré- mite de la bobine 26, de telle sorte que la cathode avec toutes ses connexions extérieures se trouve enferm4e dans la pièce creuse conductrice 30. Comme le champ est sensiblement nul à l'intérieur de cette enceinte, il n'y a pas lieu de prendre des précautions pour éviter tout amorçage d'étincelles* A l'intérieur de la pièce creuse conductrice, on a prévu également un dispositif de réglage de la température du filament et de débit du tube, Ce dispositif comporte une impédance variable en circuit avec la cathode. On peut faire usage par exemple d'une induc- tance comportant un noyau de fer réglable destiné à faire varier l'impédance.
Sur les fig.2 et 7, on voit un* mode de disposition de cette in- ductance représentée en 75. Le noyau non représenté peut être commandé par un mécanisme constitue de pignons coniques et d'une vie, également non représentée, Le régisse de l'inductance, et par conséquent du courant de chauffage,peut être commandé à l'extérieur de l'enveloppe 10 par un arbre isolé 79 commandé par un volant extérieur 80. Le montage d'un tel mécanisme à formes irrégulières à l'in- térieur de la cuve risquerait d'augmenter le danger de claquage si on ne prenait pas soin de disposer ce mécanisme à l'intérieur de la pièce conductrice creuse 30 .
Les connexions de l'équipement sont représentées sur la fig.8 où les différents éléments décrits antérieurement ont été désignés par les mêmes nu- méros de référence. Le réglage de la tension est obtenu par la combinaison de l'auto-transformateur 81 à prise intermédiaire et une résistance série 82 en cir- cuit avec le primaire 18, Aux bornes de ce dernier, on a connecté un voltmètre 83 qui indique les conditions de fonctionnement. Le secondaire 26 est connecté entre l'anode et la cathode du tube à rayons X par un appareil de mesure 84 qui peut être placé à l'ixtérieur de l'enveloppe, puisque tous ces éléments sont au poten- tiel de la terre. Les électrodes intermédiaires 40 sont maintenues au potentiel voulu en les connectant aux différentes prises du secondaire 26, comme indiqué précédemment.
La pièce de concentration 38 des rayons est maintenue à un poten- tiel négatif par rapport au filament 36 au moyen d'un dispositif approprié de po- larisation qui comporte une résistance 86 de valeur élevée,de 200.000 ohms par exemple, montée en parallèle avec un condensateur 87 dont la capacité peut être de l'ordre de 0,2 microfarad. Dans ces conditions, en supposant qu'un courant de 10 milliampères traverse le tube, on obtient une polarisation négative de l'ordre de 2.000 volta sur la dite pièce, par suite de la capacité relativement élevée du condensateur 87.
Cette polarisation est maintenue entre les périodes successi-
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-ves du fait que la constante de tmps du circuit de condensateur est supérieure à la période*
Le condensateur 87 et la résistance 86 peuvent être également en- fermés dans la pièce creuse conductrice 30, comme Indiqué sur la fig.7. Si on le désire, la résistance peut être réglable; auquel cas le réglage peut être effec- tué de l'extérieur grâce à un dispositif analogue à celui décrit à propos de l'inductance 75.
L'appareil décrit ci-dessus est très transportable et présente une sécurité complète pour les personnes qui s'en servent; il peut supporter une ten- sion de l'ordre de 500.000 volts et au-delà et il est susceptible d'être utilisé médicalement ou industriellement,
Au cours de l'exploration pratiquée, il est désirable que le géné- rateur décrit n'absorbe pas d'autre puissance que celle nécessaire réellement la production des rayons X, et l'invention prévoit des moyens d'alimentation tels que le courant total absorbé ne comporte aucune composante Inductive ou capacitive, Grâce à ces moyens qui seront décrits dans la suite les composantes inductive et capacitive de puissance déwattée se compensent automatiquement*
Ce résultait peut être obtenu par exemple en prévoyant,
dana le circuit magnétique du transformateur d'alimentation du tube, une ou plusieurs xx parties non magnétiques à réluctance élevée d'où il résulte que le courant in- ductif absorbé par le transformateur augmente dans les mêmes conditions que le courant capacitif.
Dans la plupart des dispositifs alimentés par transformateur, la puissance apparente absorbée par le transformateur lui-même est pratiquement né- gligeable par rapport à la puissance absorbée par le circuit d'utilisation. Tou- tefois, avec les équipements à rayons X à très haute tension, dans lesquels le transformateur ne fournit qu'un courant de quelques milliampères pour des tensions supérieures à 100.000 volts, il n'en est pas rigoureusement atnsi, comme on le verra par la suite. La puissance déwattée que le transformateur prélève sur la ligne d'alimentation comporte la composante correspondant au courant magnétisant du transformateur et celle correspondant au courant de charge dû à la capacité de l'enroulement secondaire par rapport au sol.
La puissance magnétisante peut être prédéterminée et maintenue à une valeur relativement faible indépendamment des tensions utilisées* La puissance capacitive est plus difficilement contrôlable et elle varie avec la tension d'alimentation. La puissance absorbée sur la ligne d'alimentation par un transformateur donné, peut être représentée par la formules
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"± , 1 c- = 1:
.1. 7C/e-
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dans laquelle E est la tension de la source, C la capacité effective des enroule- mente de transformateur, et f la fréquence d'alimentation, On voit que, pour un transformateur de dimensions données, la puissance capacitive augmente comme le carré de la tension appliquée, Dans le cas considéré, l'accroissement de la %en- sion Implique une augmentation des dimensions des enroulements du transformateur et par conséquent de leur capacité; en tenant compte de ce fait, on peut admettre que, pour des tansformateurs qui sont analogues,aux variations de dimension près nécessitées par la variation de la tension appliquée, la puissance capacitive apparente augmente sensiblement comme la troisième puissance de la dite tension.
La fig.9 qui représente la puissance "déwattée" Pd en fonction de la tension appliquée U met en évidence cette caractéristique, et 1 représente les variations de la puissance apparente capacitive en fonction de la tension,
Comme on le voit, alors que cette puissance peut être relativement faible pour des tensions Inférieures à 100.000 volts, elle augmente très rapide- ment pour des tensions supérieures et atteint 12.500 environ de cette faible valeur pour 500 Kilovolts. La puissance magnétisante apparente pour des transforna teurs de type courant, varie d'autre part comme le montre la courbe B.
La prépondérance de la puissance capacitive qui se manifeste aux très hautes tensions est très prononcée dans le cas des appareils à rayons X du genre décrit plus haut* Par exemple, dans un équipement qui comporte un transfor- mateur fournissant 500 kilovolts en pointe, on a constaté que la puissance déwat- tée prélevée sur la source était de 14 kilovoltampères.
Cette puissance capaciti- ve est sensiblement 3,5 fois celle absorbée par le tube lui-même* En conséquence, il y avait lieu de prévoir un circuit de neutralisation sous forme de réactance et la puissance de la source et de l'équipement auxiliaire devait être plusieurs fois celle de la puissance d'utilisation,
La présente invention permet de surmonter ces difficultés par des v moyens très simples et, dans ce but, elle prévoit le générateur de telle sorte que la puissance capacitive qu'il absorbe est compensée par la puissance magnéti- sante inductive, Dans ce but, il suffit de prévoir dans le circuit magnétique du transformateur une forte réluctance procurée par une partie non magnétique appro- priée,
étudiée de telle sorte qu'elle augmente le courant magnétisant du trans- formateur en le rendant comparable à celui du courant capacitif.
La fig.10 représente,à titre d'exemple, un équipement analogue à celui de la fig.1 et comportant des moyens additionnels destinés à effectuer cette compensation des courants déwattés. Comme il a été signalé plus haut, on dispose @
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dans le circuit magnétique du transformateur, une ou plusieurs pièces non magné- tiques à forte réluctance, Ces parties non magnétiques peuvent être constituées par des entrefers ou des pièces non magnétiques ou isolantes* Il en résulte un accroissement de la réluctance magnétique du circuit du transformateur et par . conséquent une augmentation du courant magnétisant qui peut atteindre une valeur du même orrdre de grandeur que le courant capacitif,
et comme ces courants ont des déphasages opposés par rapport à la tension d'alimentation, ils se neutrali- sent l'un l'autre et réduisent ainsi la valeur du courant prélevé sur la source. b On peut choisir pour constituer les sections non magnétiques, des produits de condensation du phénol par exemple et les placer aux points de ren- oontre des différentes branches du transformateur, comme représenté en 141-142- 143 respectivement. Il en résulte une construction simplifiée qui évite le che- vauchement habituel des tôles en ces points particuliers*
Les dimensions des parties non magnétiques dépendent des dimenàiom relatives des autres parties du transformateur et aussi des conditions de fonction nement.
Elles peuvent être facilement déterminées dans chaque cas particulier, soit par le oalcul, soit empiriquement. Dans un exemple déterminé, où la longueur totale du circuit magnétique était de l'ordre de 300 cm. la section droite moyen- ne du circuit de 230 cm2, la longueur totale des régions non magnétiques devrait être de l'ordre de 3,2 mm. environ. Ces dimensions se rapportent, bien entendu, à un équipement particulier tel que celui de la fig.2 et ne sont données qu'à titre d'exemple.
Au lieu de placer ces pièces non magnétiques aux angles du noyau de transformateur, on peut aussi les grouper dans un entrefer ménagé à l'intérieur du secondaire, comme on le voit en 147. Cette disposition, qui peut être combinée avec les précédentes, est avantageuse du fait que toute dispersion du flux magné- tique dans les parois de l'enveloppe de l'équipement et dans d'autres régions,, dispersion due à la forte réluctance produite, est pratiquement éliminée* De plue l'accroissement du courant magnétisant, pour une longueur donnée d'entrefer, sera maximum pour le dispositif tel que celui représenté en 147.
On comprendra mieux ces résultats à l'examen de la fig.12 qui re- présente le circuit équivalent d'un équipement à rayons X construit suivant les données précitées. Dans cette figure, le tube est représenté en 149 et la capa- citanoe des enroulements est indiquée en 150 sous forme d'un condensateur aux bornes du tube. Aux bornes du condensateur, on a représenté 1'inductance consti- tuée par une bobine 151 sur un noyau magnétique 15,et ce dernier étant muni d'un
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entrefer non magnétique 153.
Si les dimensions de cet entrefer sont correctement choisies, le courant absorba* par l'Inductance peut être égal à celui absorbé par le condensateur* Comme ces courants sont de signes opposée ils se neutralisent l'un l'autre, tout au moins en ce qui concerne le circuit extérieur. Il en résul- te que la source 155, représentée à l'extrémité gauche de la figure, n'aura à fournir que le courant absorbé par le tube 149.
Dans ces conditions, l'équipement de mesure et de commande, représenté schématiquement en 157, peut être de dimen- sions considérablement réduites*
Un autre avantage de cet équilibrage des éléments Inductifs et capacitifs réside dans le fait qu'il y a moins de distorsion de la tension d'ali- mentation, consécutive aux pulsations du courant alimentant le tube à rayons X.
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DEVELOPMENTS FOR X-RAY GENERATORS.
The present invention relates to improvements made to electronic discharge devices and to the corresponding power supply and control apparatus with a view to producing X-rays, and more particularly hard rays at voltages of the order of 500,000 volts. and above.
The characteristics of the invention relate above all to improvements to the tubes, to their mounting in relation to the supply devices, to the latter, to means of protection against breaking of the insulation of the equipment, to means for adjusting the temperature of the cathode and the flow rate of the tube and with means for improving the power factor of the supply current.
According to the preferred embodiment, the equipment comprises an envelope filled with oil and containing a high voltage transformer.
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as well as the cathode end of the tube, the anode end projecting outward.
It is understood that the means of the invention can be applied not only to X-ray equipment but to the supply and assembly of all other discharge devices operating at high voltages.
The new characteristics and the advantages of the invention will be better understood by referring to the following description and to the accompanying drawings, given simply by way of non-limiting example and in which t
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Pigol represents an apparatus in accordance with the invention.
Fig.2 is a plan view. ta? ig.3 is a fragmentary view showing the details of bkbn-oonstruetion.
Flg * 4, 5 and 6 represent details of the anode.
The Pigo7 is a section taken along line 7-7 in Fig. 2.
Fig. 8 is a diagram of the circuit.
Fig. 9 is a diagram of the components of the supply current.
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Fig, 10 is a section similar to that of Fig.l.
Fig.ll is a cross section of the magnetic core.
Fig.l2 is an equivalent circuit.
In Fig. 1. we see a tank 10, preferably vacuum tight.
The shape given to this envelope is such as to allow the minimum amount of space; it is filled with oil or another liquid or gaseous insulator * To allow the easy introduction and extraction of the insulating medium, the casing comprises at its highest point a pipe 12 in connection with a reservoir of expansion, and at its lowest point a drain tap 13. As the apparatus must be able to rotate about one or more axes and be transportable, the casing must have suitable hooks such as those
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designated by 14 in Fig. 4; they are preferably located on a line passing close to the center of gravity of the assembly.
Inside the tank is mounted a transformer which comprises a laminated core 16 placed in housings provided for this purpose. The primary of this transformer is formed by a helix of copper tape wound
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on a branch of the nucleus; an insulating sleeve 19, of impregnated paper for example, is interposed between this winding and the sheets. Source connections
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exterior are effected by lamps 22 and 23 connected to the lead conductors sealed in the wall of the casing.
In the device shown by way of example, the secondary of the transformer comprises a coil 26, one end of which is supported by the lower wall 27 of the tank to which it is electrically connected, preferably by means of a measuring device. , for example using a conductor 28, the latter, designated by 134, is visible in fig.10.
The upper end of the secondary 26 is substantially remote from the wall of the vessel and is brought to a high potential with respect to the envelope and the various metal parts which are connected to it. Since this voltage can be greater than 500,000 volts, it will be understood that there are considerable electrostatic forces between the upper turns of the coil and the elements of the apparatus which are at ground potential.
To reduce these forces and increase the uniformity of the electrostatic field existing inside the casing, it is possible to provide a conductive electrostatic screen 30 having a large radius of curvature. This screen 30 can include upper and lower metal parts intended for enclose various parts of the equipment *
The tube proper is constituted by an elongated envelope formed at least in part of glass or of another vitreous material and provided, at its opposite ends, with terminals connected to the electrodes * More particularly, the envelope of the tube is constituted by spaced insulating sections 35 (fig, l), in varre for example, and comprising interposed metal parts 36 which their sound): sealed.
At the end of the envelope which penetrates inside the enclosure 10, is the cathode formed by a filament 37 and a part 38 for concentrating the cathode rays (fig. 3) which the we will describe later. At the other end of the tube is the anode consisting of an elongated metal cylinder 40; between these main electrodes are disposed a number of electrodes 41, preferably uniformly spaced apart and formed by conductive tubular parts;
they are supported by the conductive parts 36 of the casing which constitute the supply terminals of said intermediate electrodes,
According to the invention, the tube is provided such that its main are is perpendicular to that of the coil 26, the cathode end of the tube being adjacent to the upper end of the coil, while the anode end protrudes outside and is supported by the vessel wall 42 4 To ensure a uniform distribution of the potential over the entire
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length of the x-ray tube, connections are provided between the electrodes 41 and appropriate taps on the coil 26 of the transformer.
The so-called tube assembly relative to the coil allows these connections to be made in such a way that there is no danger of breakdown. To increase safety, the conductors 45 can also be provided in the form of conductive rods or tubes of relatively large diameter. It is also possible to incorporate in the conductors 45, high resistance sections 46, these sections limiting the current liable to pass in the event that sparks occur.
During operation, the successive intermediate electrodes are brought to gradually increasing potentials relative to the tank. and intense radial fields exist between these electrodes and the walls of the vessel. Due to the small radius of curvature of these electrodes and the inequality of the dielectric constants of the vacuum inside the casing and of the oil or other dielectrics used, potential gradients can be established. extremely high in the vicinity of the electrode surfaces.
To strong tensions. In use, these gradients may, in the absence of any means of protection, be sufficient to cause discharges in the radial direction, which may lead to perforation of the walls.
To avoid these drawbacks, it is possible to provide means for electrostatic shielding of these electrodes, at least those closest to the cathodic potential. These devices consist, for example, of tubular parts 47 with a relatively large radius of oourwbure and electrically connected to some or all of the high voltage electrodes. As shown, each of these pieces is such that it has no sharp edges, and they are placed between the corresponding intermediate electrodes and the wall of the envelope.
As a result of this suitable shape of the parts 47 and their distribution in the dielectric external to the tube, strong local gradients of potential are avoided and consequently the danger of plating.
These various screens are supported by an insulating cylinder 48 consisting, for example, of paper impregnated with shellac. This cylinder is disposed between the casing of the tube and the screens and it can be fixed in such a way that any rotational movement of the cylinder is prevented by locking it on the hollow part 30. The connections between the screens and the terminals 36 can be effected by elastic contacts, the nature and function of which will be described later.
Fig. 4 shows some construction details of the tube and more
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particularly the anode which is constituted by an elongated metal tube 40 terminated, at its left end by a strong metal plate 49 inclined on the main axis of the tube, This plate comprises in the center an anti-cathode 50 established in tungsten for example . During operation, the electronic flux is concentrated on the anti-cathode 50 by a magnetic coil 52 placed so that its axis coincides with that of the tube, the coil being supplied in any suitable manner. The plate 49 is maintained at a temperature below the melting point of the anti-cathode by circulating water or any other equivalent liquid.
A particular device intended to ensure the circulation is shown in the form of a tube 51 wound in a helix around the anode and terminating in a series of staggered recesses provided on the outer surface of the plate 49. Of these chambers , the fluid escapes through an opening 48 towards the annular space between the anode tube 40 and the sleeve 54.
It is then discharged through the connection 56 shown in fig.5.
Protection against stray rays is provided by a lead sheath 57 which is covered on the outside by a metal casing 64; this sheath at its maximum thickness in the region close to the anti-cathode. The rays escape through a window closed by a thin metal part 58. To vary the direction of the beam, the tube can turn by compared to the tank 10, as can be seen in Fig.4, which in fact represents the bearing 59, the surfaces of which have an oil-tight seal 60. The movable element of this bearing is connected to a toothed wheel 61 which supports the entire tube, thanks to the flange 62. The wheel 61 can be driven by a worm 63.
So that the rotation of the tube does not cause any disturbance in the electrical connections between the electrodes 41 and the coil 26, these connections can be provided by elastic contacts 65 sliding on the outer faces of the metal parts 36 of the casing, as seen in fig.4 and 6. The conductors 45 are secured to the fixed screens. The cathode connections can have enough flexibility such aorta that there is no special precaution to be taken to allow them to rotate,
The cathode itself, shown in detail in Fig.3, comprises a filament 37 and a concentration piece 38 made of metal. Insulated lead conductors 68 and 69 feed the filament, and a similar conductor 70 is attached to the focus piece.
The heating current of the filament is taken on a winding 71 with a few turns, wound around the insulating ring 32 and which practically constitute an extension of the secondary coil 26 (see Figs. 1 and 7).
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The cathode end of the tube is placed in the vicinity of the end of the coil 26, so that the cathode with all its external connections is enclosed in the conductive hollow part 30. Since the field is substantially zero at 1 'inside this enclosure, there is no need to take precautions to avoid any ignition of sparks * Inside the conductive hollow part, there is also provided a device for adjusting the temperature of the filament and tube flow rate This device has a variable impedance in circuit with the cathode. Use can, for example, be made of an inductor comprising an adjustable iron core intended to vary the impedance.
In FIGS. 2 and 7, we see a * mode of arrangement of this inductance shown at 75. The core, not shown, can be controlled by a mechanism consisting of bevel gears and a life, also not shown, The governor of the inductance, and therefore of the heating current, can be controlled outside the casing 10 by an insulated shaft 79 controlled by an external flywheel 80. The mounting of such an irregularly shaped mechanism to the The interior of the vessel would risk increasing the danger of breakdown if care was not taken to arrange this mechanism inside the hollow conductive part 30.
The connections of the equipment are shown in fig.8 where the various elements described previously have been designated by the same reference numbers. The voltage adjustment is obtained by the combination of the auto-transformer 81 with intermediate tap and a series resistor 82 in circuit with the primary 18. To the terminals of the latter, a voltmeter 83 has been connected which indicates the conditions. Operating. The secondary 26 is connected between the anode and the cathode of the x-ray tube by a measuring device 84 which can be placed inside the casing, since all of these are at earth potential. The intermediate electrodes 40 are maintained at the desired potential by connecting them to the various sockets of the secondary 26, as indicated above.
The ray concentrator 38 is maintained at a negative potential with respect to the filament 36 by means of a suitable polarization device which has a resistor 86 of high value, for example 200,000 ohms, connected in parallel with it. a capacitor 87, the capacity of which may be of the order of 0.2 microfarad. Under these conditions, assuming that a current of 10 milliamperes passes through the tube, one obtains a negative polarization of the order of 2000 volta on the said part, as a result of the relatively high capacity of the capacitor 87.
This polarization is maintained between successive periods.
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-ves because the tmps constant of the capacitor circuit is greater than the period *
Capacitor 87 and resistor 86 may also be enclosed in conductive hollow part 30, as shown in fig.7. If desired, the resistance can be adjustable; in which case the adjustment can be made from the outside by means of a device similar to that described with regard to inductance 75.
The device described above is very transportable and offers complete safety for the people who use it; it can withstand a voltage of the order of 500,000 volts and beyond and it can be used medically or industrially,
In the course of the exploration practiced, it is desirable that the described generator does not absorb any power other than that actually required for the production of the x-rays, and the invention provides for supply means such as the total current. absorbed does not include any inductive or capacitive component, Thanks to these means, which will be described below, the inductive and capacitive components of watt-wattage power are automatically compensated *
This result can be obtained for example by providing,
in the magnetic circuit of the transformer supplying the tube, one or more xx high reluctance non-magnetic parts from which it results that the inductive current absorbed by the transformer increases under the same conditions as the capacitive current.
In most transformer powered devices, the apparent power absorbed by the transformer itself is virtually negligible compared to the power absorbed by the user circuit. However, with very high voltage X-ray equipment, in which the transformer only supplies a current of a few milliamperes for voltages above 100,000 volts, this is not strictly guaranteed, as will be seen by the following. The dewatted power that the transformer draws from the supply line comprises the component corresponding to the magnetizing current of the transformer and that corresponding to the load current due to the capacitance of the secondary winding with respect to the ground.
The magnetizing power can be predetermined and maintained at a relatively low value regardless of the voltages used. The capacitive power is more difficult to control and it varies with the supply voltage. The power absorbed on the supply line by a given transformer can be represented by the formula
EMI7.1
"±, 1 c- = 1:
.1. 7C / e-
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where E is the voltage of the source, C the effective capacitance of the transformer windings, and f the supply frequency, We see that, for a transformer of given dimensions, the capacitive power increases as the square of the voltage applied, In the case considered, the increase in the% en- sion implies an increase in the dimensions of the transformer windings and consequently in their capacitance; taking this fact into account, it can be assumed that, for transformers which are analogous, apart from the variations in dimension required by the variation in the applied voltage, the apparent capacitive power increases appreciably as the third power of said voltage.
Fig. 9 which represents the "dewatted" power Pd as a function of the applied voltage U highlights this characteristic, and 1 represents the variations of the apparent capacitive power as a function of the voltage,
As can be seen, while this power may be relatively low for voltages below 100,000 volts, it increases very rapidly for higher voltages and reaches about 12,500 of this low value for 500 kilovolts. The apparent magnetizing power for current type transformers, on the other hand, varies as shown by curve B.
The preponderance of the capacitive power which manifests itself at very high voltages is very pronounced in the case of X-ray devices of the type described above * For example, in an equipment which includes a transformer supplying 500 kilovolts at peak, we have noted that the dewatted power taken from the source was 14 kilovolt-amperes.
This capacitive power is appreciably 3.5 times that absorbed by the tube itself * Consequently, it was necessary to provide a neutralization circuit in the form of reactance and the power of the source and of the auxiliary equipment had to be be several times that of the power of use,
The present invention enables these difficulties to be overcome by very simple means and, for this purpose, it provides the generator in such a way that the capacitive power which it absorbs is compensated by the inductive magnetizing power. It is sufficient to provide in the magnetic circuit of the transformer a strong reluctance provided by an appropriate non-magnetic part,
studied in such a way that it increases the magnetizing current of the transformer, making it comparable to that of the capacitive current.
FIG. 10 represents, by way of example, equipment similar to that of FIG. 1 and comprising additional means intended to effect this compensation of the wattled currents. As mentioned above, we have @
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in the magnetic circuit of the transformer, one or more non-magnetic parts with high reluctance, These non-magnetic parts may consist of air gaps or non-magnetic or insulating parts * This results in an increase in the magnetic reluctance of the transformer circuit and by. consequently an increase in the magnetizing current which can reach a value of the same order of magnitude as the capacitive current,
and as these currents have opposite phase shifts with respect to the supply voltage, they neutralize each other and thus reduce the value of the current drawn from the source. b To constitute the non-magnetic sections, it is possible to choose phenol condensation products for example and to place them at the meeting points of the different branches of the transformer, as shown in 141-142-143 respectively. The result is a simplified construction which avoids the usual overlapping of the sheets at these particular points *
The dimensions of the non-magnetic parts depend on the relative dimensions of the other parts of the transformer and also on the operating conditions.
They can be easily determined in each particular case, either by calculation or empirically. In a given example, where the total length of the magnetic circuit was of the order of 300 cm. Since the average cross section of the circuit is 230 cm2, the total length of the non-magnetic regions should be on the order of 3.2 mm. about. These dimensions relate, of course, to particular equipment such as that of FIG. 2 and are given only by way of example.
Instead of placing these non-magnetic parts at the corners of the transformer core, they can also be grouped in an air gap formed inside the secondary, as seen in 147. This arrangement, which can be combined with the previous ones, is advantageous in that any dispersion of the magnetic flux in the walls of the enclosure of the equipment and in other regions, dispersion due to the high reluctance produced, is practically eliminated. The greater the increase in the magnetizing current , for a given air gap length, will be maximum for the device such as that shown at 147.
These results will be better understood by examining FIG. 12 which represents the equivalent circuit of an X-ray equipment constructed according to the aforementioned data. In this figure the tube is shown at 149 and the capacitance of the windings is shown at 150 in the form of a capacitor across the tube. Across the capacitor is shown the inductance constituted by a coil 151 on a magnetic core 15, and the latter being provided with a
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non-magnetic air gap 153.
If the dimensions of this air gap are correctly chosen, the current absorbed * by the inductor can be equal to that absorbed by the capacitor * As these currents are of opposite signs they neutralize each other, at least in this which concerns the external circuit. As a result, the source 155, shown at the left end of the figure, will only have to supply the current absorbed by the tube 149.
Under these conditions, the measurement and control equipment, shown schematically at 157, can be of considerably reduced dimensions *
Another advantage of this balancing of the inductive and capacitive elements is that there is less distortion of the supply voltage, resulting from the pulsations of the current supplied to the x-ray tube.