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Montage pour tubes à rayons X.
La présente'invention concerne les tubes à rayons X et particulièrement un tube à rayons X capable de passer un courant exceptionnellement élevé.
Les tubes à rayons X tels qu'ils sont employés actuelle- ment ont leur courant électronique limité par l'émission de la cathode de tungstène à filament thermionique et il n'y a pas eu moyen jusqu'ici de dépasser un courant beaucoup plus élevé que quelques ampères. Récemment, on a bien construit des tubes pouvant laisser passer des courants de plusieurs milliers d'am- pères en utilisant des cathodes à bain de mercure la vapeur de mercure servant à abaisser la charge d'espace, à l'intérieur du tube. Mais ces tubes ont un fonctionnement très irrégulier et il est indispensable que la température du mercure reste en dessous de 10 C, sinon la décharge dégénère en un arc de faible voltage ne produisant pas de rayons X. De plus, à cause du bain de mercure,
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ces tubes doivent toujours rester dans la même position.
Les buts de l'invention sont de procurer: un tube à rayons X sous vide capable de laisser passer des courants de plusieurs milliers d'ampères; un tube à rayons X sous vide capable de laisser passer des courants de plusieurs centaines d'ampères et à fonctionne- ment exceptionnellement stable; un tube à rayons X sous vide capable de laisser passer des courants de plusieurs centaines d'ampères et utilisant une électrode non thermionique; un tube à rayons X sous vide capable de laisser passer des courants de plusieurs centaines d'ampères, dans lequel les électrons sont émis par un métal froid sous l'effet d'un gradient de potentiel élevé; un tube à rayons X sous vide capable de laisser passer un courant de plusieurs centaines d'ampères, et un circuit d'ali- mentation pour le tube grâce auquel l'alimentation du tube peut être réglée avec précision;
un tube à rayons X sous vide capable de laisser passer des courants de plusieurs centaines d'ampères, dont la forme et les dimensions sont semblables à celles des tubes à rayons X de type courant et qui peut fonctionner dans toutes les positions.
D'autres buts de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après avec référence aux dessins annexés, dans lesquels :
La figure 1 est une vue de profil d'un tube à rayons X sous vide construit conformément à la présente invention;
La figure 2 est une vue partielle d'une variante d'un tube à rayons X sous vide de la présente invention ;
La figure 3 est une vue partielle en coupe à échelle agran- die du tube à rayons X représenté à la. figure 1;
La figure 4 est une vue en coupe suivant la ligne IV-IV de la figure 1 vue dans le sens des flèches;
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La figure 5 est une vue en coupe suivant la ligne V-V de la figure 3 et vue dans le sens des flèches; et
La figure 6 est un schéma de connexions d'un circuit électrique pour l'alimentation du tube à rayons X.
En se reportant en détail aux dessins, la figure 1 montre une enveloppe 5 ayant une partie rentrante 6 entourée d'une pièce de serrage 7 servant à porter une anode ou cihle 8 en mé- tal réfractaire tel que le tungstène, et un fil d'amenée 9 qui part de l'anode et passe à l'extérieur de l'enveloppe et qui est scellé à celle-ci en 10. Le flux d'électrons est établi au moyen d'une cathode "froide" pouvant consister en une fine tige pointue 12 (voir fig.2) ou une tige aplatie (voir fig.4) 13, en une matière peu active. Quoique l'on ait représenté ici une cathode à contour effilé, il est clair que d'autres types de cathodes telles que des surfaces arrondies ou même des cathodes thermioni- ques peuvent être utilisées, comme il est dit ci-après.
On sait depuis longtemps, depuis l'apparition des tubes à rayons X à cathodes thermioniques, qu'un des plus grves pro- blèmes dans les tubes de ce type réside dans l'émission auto- électronique. Vu que ce genre de tube est de par lui-même auto- redresseur, il faut supprimer toute émission auto-électronique par les diverses parties métalliques et dégazifier complètement le tube pour empêcher le passage d'un courant inverse pendant le moment où l'anode fonctionne comme cathode. Da.ns ce but, toutes les parties sont arrondies sans aucune pointe ni arête de façon à éviter des gradients de potentiel élevés aui, aux tensions de service du tube, provoquerait autrement de l'émission auto-élec- tronique ou "froide" par les parties métalliques.
A l'opposé de la conception ci-dessus, l'invention pro- pose un tube à rayons X sous vide dans lequel on utilise des gra- dients de potentiel élevés pour produire une émission "froide" d'électrons qui bombardent l'anode de façon à produire des rayons .
X avec des courants pouvant atteindre plusieurs centaines et
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même plusieurs milliers d'ampères. Par exemple, la catode 12 (fig.2) est placée près de l'anode 8 de façon à produire un gra- dient de potentiel ou une concentration de champ élevé à la cathode. Ainsi, quand on applioue entre l'anode 8 et la cathode 19 une tension d'environ 40 kilovolts ou plus, il se formera un flux abondant d'électrons de la cathode à l'anode à cause du gradient élevé, les électrons bombardant l'anode de manière à créer les rayons X de la façon habituelle hors de la surface de la cible, 'nais avec l'avantage supplémentaire que le courant est exceptionnellement grand.
L'espacement entre anode et cathode est critique car, s'il est trop faible, la décharge électronioue peut dégénérer en un arc métallique de bas voltage apparemment dû à l'émission de particules métalliques. Par conséquent, l'es- pacement doit être tel que tout tungstène évaporé ne dispose pas du temps suffisant pour atteindre la cathode pendant la période d'alimentation du tube à rayons X. D'autre part, si l'espacement- est trop gr?nd, la décharge électronique devient incertaine à moins d'utiliser des tensions extrêmement élevées de l'ordre de 100 kilovolts ou plus. De plus, il est indispensable nue, quel que soit le type de cathode utilisée, le passage des électrons soit dû à une émission "froide" comme il sera. expliqué ci-après.
Pour éviter cette irrégularitéd'émission sans recourir à des tensions extrêmes, la. forme d'exécution préférée de l'in- vention (voir fig.l) comprend une électrode auxiliaire d'amorçage désigna au point de vue général par 14. En se reportant plus spécialement à la figure 5, on voit que l'enveloppe 5 est pourvue d'une partie rentrante 15 à laquelle est scellé un conducteur d'amenée 16, tel qu'en 17. L'anode auxiliaire d'amorçage 14 est serrée sur cette partie rentrante 15, comme indiqué, et a la forme d'un. cylindre métallique relié au conducteur d'amenée 16 par un fil ou élément semblable 18, et pourvu d'ouvertures 19 . pour faire le vide.
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L'extrémité du cylindre 14 porte, fixée par des vis ou pièces semblables 20, une pièce métallique annulaire 22 dont le diamètre intérieur n'est que légèrement inférieur à celui du cylindre 14, l'extrémité ouverte de cette pièce étant la plus proche de l'anode et formant, par convergence, des parois paral- lèles 23 normales à l'axe longitudinal du tube, cornue on pevt le voir aux figures 3 et 4. Cette pièce 22 est munie d'une cloi- son formant partie intégrante, cette pièce servant donc de fer- meture pour le cylindre 14 à l'exception d'une rainure 25 .paral- lèle aux parois 23, comme indiqué à la figure 4.
La cathode 13 à bout aplati ou en "queue de castor" qui peut être formée à l'extrémité d'une tige de thorium, de molyb- dène ou semblable, est placée dans la rainure 25 et approximati- vement sur l'axe longitudinal du tube le reste de la tige étant recouvert d'un isolant vitreux ou semblable 26, qui passe par l'ouverture 27 dans la pièce 22 et est scellé à un téton laté- ral 28 de l'enveloppe 5. L'ensemble comprenant le cylindre 14 et la pièce 22 est connecté au conducteur d'amenée 16 et fonc- tionne donc comme une électrode auxiliaire d'amorçage, les parois latérales convergentes 23 servant de cuvette de concentration pour les électrons émis par la cathode 13. Après assemblage com- plet, le tube est évacué par un tuyau de vide 29.
En se reportant plus particulièrement à la figure 6, on y voit un circuit d'alimentation pour le tube 5. Ce circuit com- prend un transformateur haute tension 30 avec un enroulement primaire 32 et un enroulement secondaire haute tension 33 pro- duisant un voltage de 40 kilovolts ou plus. La prise médiane du secondaire 33 est mise à la terre en 34 et une extrémité de cet enroulement est reliée à travers une valve redresseuse 35 à un cô- té d'un groupe de condensateurs 36 et à une borne d'un éclateur 37,
D'une manière semblable,l'autre extrémitédu secondaire 33 est reliée à travers une valve redresseuse 38 à un côté d'un - second groupe de condensateurs 39 et aussi à un conducteur 40
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allant à la cathode 13 du tube à rayons X 5.
L'autre côté du groupe de condensateurs 36 est relié par l'enroulement secondaire 42 d'un transformateur 43 à la terre en 44, et le côté restant du groupe de condensateurs 39 est aussi mis à la terre, comme indiqué en 45. Un éclateur 46 est place entre les groupes respec- tifs de condensateurs 36 et 39 pour la raison exposée ci-après.
L'autre borne de l'éclateur 37 est connectée à l'anode 8 du tube à rayons X et par une résistance de limitation de courant 47 à l'anode auxiliaire d'amorçage 14. De même, une résistance de limitation de courant 48 relie la cathode 13 à l'anode 8. Lorsque l'enroulement primaire 32 du transformateur d'alimentation 30 est alimenté, le groupe de condensateurs 36 se charge, pendant une demi période du courant alternatif, suivant un circuit partant d'une extrémité du secondaire, par la valve 35 et les condensa- teurs 36, et des condensateurs par le secondaire 42 du transfor- mateur 43, la terre 44 pour aboutir à la prise médiane 34 du secondaire 33.
De même, pendant la même demi-période du courant alter- natif, le groupe de condensateurs 39 se charge suivant un cir- cuit partant de l'extrémité opposée du secondaire 33, par la valve redresseuse 38 aux condensateurs 39, et par la terre 45 pour revenir à la prise médiane 34 du secondaire 33. Lorsque les groupes de condensateurs 36 et 39 sont chprgs à la tension de rupture à laquelle l'éclateur a été réglé, ils se déchargent et alimentent le tube à rayons X.
Au début de la décharge, le potentiel de l'anode auxi- liaire d'amorçage 14 est égal à celui de l'anode 8 et toute la tension des condensateurs est appliquée entre l'anode principale 8 et la cathode 13, ainsi qu'entre l'anode auxiliaire d'amorçage 14 et la cathode 13.
Comme l'espace entre la cathode pointue 13 et l'anode d'amorçage 14 qui l'entoure est petit, la présence d'un gradient de potentiel élevé arrache des électrons du métal de la cathode
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grâce à la concentration de champ et cette émission d'électrons peut donc être dénommée "émission froide" à l'opposé de l'émission thermionique par électrode chauffée ou émission par bombardement d'ions positifs, comme cela se produit dans les tubes à rayons X à gaz.
Le phénomène qui en résulte est de courte durée, la dé- charge entière ne prenant que 2 microsecondes approximativement, c'est-à-dire qu'il n'a pas été possible jusqu'ici de déterminer exactement ce qui passe. L'explication probable est que"l'émission froide "provoque apparemment sur la cathode 13 des points chauds, provoquant probablement un arc métallique d'une durée extrêmement courte. Quel que soit le phénomène immédiatement après la déchar- ge entre l'anode d'amorçage auxiliaire 14 et la cathode 13 le courant se met à grandir, mais à cause de la résistance 47, la tension tombe et le potentiel de l'a.node auxiliaire devient appro- ximativement égal à celui de la cathode.
Par conséquent, la décharge est transférée totalement à l'anode principale 8 et tout le phénomène se passe si rapidement que pratiquement toute l'énergie emmagasinée dans les condensa- teurs 36 et 39 est dissipée dans le bombardement électroniaue de l'anode 8 avec la production subséquente de rayons X. Comme la résistance 48 se trouve en parallèle sur la décharge, le courant passant par la résistance n'est qu'une infime fraction des plu- sieurs centaines d'ampères ou plus s'écoulant entre l'anode 8 et la cathode 13, et une telle résistance sert à régler la tension de rupture de l'intervalle 37 de sorte qu'elle est toujours la même pour son réglage particulier.
Dans le système décrit jusqu'ici, et en supposant que l'intervalle explosif 46 est omis et que les condensateurs sont réunis, le tube à rayons X ne sera alimenté que lorsque les con- densateurs sont chargés à la tension de rupture de l'éclateur 37 ou si son écartement est diminué. Des radiographies de nombreuses expériences d'objets se déplaçant très rapidement ont été prises, @
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telles des balles, en les faisant passer par l'éclateur 37. Cepen- dant, ce procédé de commande du tube à rayons X est peu intéres- sant du point de vue de la précision, particulièrement dans le domaine commercial, à cause de la hautetension dans l'intervalle.
L'invention présente un système de commande représenté à la fig.6 comprenant un transformateur 43, dont l'enroulement primaire 52 est relié à la terre en 44 et à l'anode 53 d'un tube triode à décharge 54. La cathode thermionique 55 de ce tube est connectée à une source d'énergie, telle qu'une batterie 56 et reçoit son courant de chauffage d'un transformateur basse tension 57, dont le primaire peut être relié au réseau ordinaire à 115 volts. La grille 58 du tube 54 est aussi reliée à la borne négative de la batterie 56 par l'intermédiaire d'un interrupteur 59 normalement fermé et une résistance de fuite 60 est connectée en parallèle avec le circuit grille-cathode aux bornes de la batterie 56.
Avec l'interrupteur 59 dans sa position normalement fer- mée, une polarisation négative est appliquée à la grille 58 em- pêchant le passage du courant dans le circuit de plaque du tube 54. Ce dernier circuit comprend, en plus du primaire 52, un con- densateur 62 qui, comme indiqué, est relié à la cathode 55 et à la terre comme en 63. Afin de charger le condensateur 62 un transformateur 64 est prévu, dont l'enroulement primaire 65 peut également être relié à la source des enroulements primaires des transformateurs 30 et 57.
L'enroulement secondaire 66 de ce transformateur 64, qui produit une tension d'environ 2.000 volts, a une de ses ex- trémités reliée à la terre en 67 et l'autre à la cathode ther- mionique 68 d'une valve redresseuse 69, dont la plaque 70 est connectée au condensateur 62. Un second transformateur basse tension 72 semblable au transformateur 57 sert au chauffage de la cathode thermionique 68.
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A la fermeture d'un interrupteur, non représenté, le transformateur 64 est alimenté et charge le condensateur 67 avec du courant unidirectionnel par l'intermédiaire du redresseur 69, le circuit de charge étant complété par la terre de 63 à 67. Le condensateur ne se décharge pas parce que le courant est empêché de circuler dans le circuit de décharge par la polarisation négative de la grille 58 du tube de commande 54 produite par la batterie 56.
Un interrupteur approprié (non représenté) peut, en se fermant, connecter l'enroulement primaire 32 du transformateur à haute tension 30 au réseau domestique avec le résultat que les groupes de condensateurs 36 et 39 se chargent, de la manière décrite ci-dessus, à une tension légèrement en-dessous de la tension de desrjption de l'éclateur 37. L'éclateur 46 permet au côté basse tension du groupe de condensateurs 36 de monter au- dessus du potentiel de terre suffisamment que pour décharger l'intervalle principal 37 et au même moment protège l'enroulement secondaire 42 contre le courant élevé passant pendant la décharge.
Quand il faut alimenter le tube à rayons X, on ouvre l'interrupteur 59, enlevant à la grille 58 du tube 60 sa pola- risation négative qui s'amortit directement dans la résistance 60.
Le condensateur 62, de ce fait, se décharge à travers le tube 54, alimentant l'enroulement primaire 52 du transformateur 43. Une impulsion à haute tension est donc créée dans l'enroulement se- condaire 42 qui élève le niveau de charge dans le groupe de con- densateurs 36, déchargeant simultanément dans les éclateurs 46 et 37, avec l'alimentation subséquente du tube à rayons X 5 de la manière décrite ci-dessus.
L'invention propose donc un tube à rayons X sous vide utilisant une cathode à émission froide et capable de laisser passer des courants de plusieurs centaines d'ampères ou plus, De plus, par la création d'un gradient de potentiel levé à la cathode,- il y a "émission froide" d'électrons qui bombardent l'anode pour
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produire des rayons X. Elle présente aussi un circuit de commande pour le tube permettant d'alimenter le tube à rayons X avec pré- cision au moment désiré.
Malgré les deux variantes de la présente invention re- présentées et décrites ici, il est clair que l'on peut apporter d'autres modifications sans sortir du cadre de l'invention.
REVENDICATIONS
1) Montage pour tube à rayons X ayant une cathode à émission froide et une électrode d'amorçage, à courant élevé au moyen d'une tension d'impulsion, caractérisa en ce que l'élec- trode d'amorçage est reliée à l'anode du tube à rayons X au moyen d'une impédance, et en ce qu'un dispositif de commande est prévu pour appliquer une source de tension d'impulsion entre l'anode et le, cathode du tube à rayons X, grâce à quoi une émission froide d'électrons est initialement produite par un gradient de potentiel élevé entre la cathode et l'électrode d'amorçage et, après un laps de temps très court suivant le fonctionnement de ce dispositif de commande, l'électrode d'amorçage prend pratiquement le même potentiel que la cathode,
de façon à amener les électrons venant de la cathode à bombarder l'anode avec la production subsé- quente de rayons X.