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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:
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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.