CA2353336A1 - Accelerateur de particules - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un accélérateur de particules. L'accélérateur comprend une enceinte (h) en matière conductrice présentant un axe central ; une anode (a) reliée électriquement à l'enceinte le long de l'axe central ; une cathode (b) logée dans l'enceinte le long de l'axe central ; un élément isolant (c) reliant la cathode à l'enceinte, l'élément isolant comprenant plusieurs sections, séparées par des électrodes (k1 à k6). L'isolant s'étend à l'intérieur de l'enceinte (h) selon l'axe central dans le prolongement de la zone formée par l'anode (a) et la cathode (b).

Description

"ACCELERATEUR DE PARTICULES"
La présente invention se rapporte à un accélérateur de particules, en particulier un accélérateur d'électrons.
Depuis plus de 100 ans, les propriétés particulières des rayons X sont utilisées dans des applications très variées. En effet, ces rayonnements ont la particularité de pouvoir traverser la matière, le taux d'absorption dépendant à la fois de l'épaisseur et de la nature du matériau traversé.
Ainsi, si l'on soumet un objet quelconque à un rayonnement X, et si l'on utilise un dispositif permettant de reconstituer point par point le niveau de dose recueilli derrière cet objet, on peut ainsi obtenir des informations quant à sa nature interne, ses éventuels défauts invisibles de l'extérieur, ou les éventuelles inclusions de matériaux étrangers.
L'application la plus connue est bien sûr la médecine, mais les rayons X
sont également largement utilisés dans l'industrie pour la détection de défauts ou de corps étrangers, ainsi que dans le domaine de la sécurité
afin d'examiner le contenu de bagages ou de colis divers.
Bien que ces techniques aient fortement évolué au cours du temps, les principaux moyens mis en oeuvre pour générer des rayons X sont toujours les mêmes . Ils comportent toujours (figure 1 ) au moins deux électrodes, l'anode (a) et la cathode (b), entre lesquelles un dispositif générateur de haute tension (I) permet d'appliquer une différence de

-2-potentiel élevée (plusieurs dizaines, voire plusieurs centaines de kilovolts). La cathode (b) est à un potentiel négatif par rapport à l'anode (a). La cathode (b) comporte en outre un dispositif (généralement un filament (f) porté à environ 2000°C) permettant de fournir une énergie initiale à des électrons qui, accélérés par le champ électrique, vont constituer un faisceau (d) circulant à une vitesse importante en direction de l'anode (a). Lorsque ces électrons (d) l'atteignent, leur décélération brutale libère une énergie, dont la plus grande partie se transforme en chaleur, tandis que quelques pour-cent sont convertis en rayonnement X.
Ce dispositif ne peut fonctionner que si les électrons sont totalement libres de se déplacer, d'où la nécessité de le placer dans une enceinte sous vide. Puisque cette enceinte relie physiquement l'anode et la cathode, elle devra comporter un isolant permettant de supporter l'importante différence de potentiel existant entre ces deux électrodes.
Sur la figure 1, l'isolant est constitué par du verre (c).
D'autre part, la partie extérieure du système étant soumise à des champs électriques élevés, elle doit étre plongée dans un milieu isolant liquide ou gazeux, par exemple de l'huile isolante ou encore de l'hexafluorure de soufre (SF6) sous pression. Cet isolant est contenu par une enceinte (m) qui est mise à la terre.
L'isolant des tubes à rayons X a toujours constitué l'un de leurs principaux points faibles.
D'une part, le vide constitué dans l'enceinte du tube ne pouvant être parfait, le faisceau d 'électrons (d) peut rencontrer des molécules résiduelles et les ioniser, créant ainsi des électrons " vagabonds " (g) qui

-3-peuvent se déposer sur l'isolant (c) et le charger électriquement, les propriétés de cet isolant empéchant ces charges de s'évacuer rapidement. Le champ électrique sur l'isolant (c) peut alors atteindre localement des valeurs suffisamment élevées pour rendre instable le courant cathodique par effet de grille, et parfois méme détruire l'isolant.
D'autre part, le potentiel entre l'anode (a) et la cathode (b) n'est jamais uniformément réparti. La figure 1 montre la localisation approximative des lignes équipotentielles (e) dans cette configuration particulière. On voit que la plus grande partie des ces équipotentielles sont localisées en face de l'espace anode-cathode. Le champ électrique sur l'isolant n'étant dès lors pas uniforme, il est nécessaire de lui donner une longueur importante pour lui permettre de résister à la contrainte diélectrique à
laquelle il est soumis.
Le marché étant demandeur de générateurs de plus en plus puissants dans des volumes réduits, différentes techniques ont été développées afin de progresser dans ce sens.
Une première amélioration (figure 2) consiste à déplacer l'isolant (c) dans une zone ou il est moins exposé aux électrons vagabonds. Dans ce cas, l'isolant ne se trouve plus dans l'espace anode-cathode, mais il est constitué d'un disque entourant la cathode. L'enceinte du tube est alors fermée par une enveloppe métallique (h) mise à la terre. On voit que les électrons (g) produits par l'ionisation des molécules passant dans le faisceau ne peuvent plus atteindre l'isolant (c) de façon directe. Par contre, ils peuvent toujours heurter l'enveloppe (h) et générer des électrons secondaires Q) qui peuvent atteindre l'isolant (c). Cette solution constitue certes une amélioration par rapport à la configuration de base de la figure 1. Cependant, l'analyse des équipotentielles (e) montre que

-4-la tension n'est toujours pas répartie de façon uniforme, ce qui ne permet pas d'obtenir des potentiels élevés dans des encombrements réduits.
D'autre part, l'isolant n'est toujours pas parfaitement à l'abri des électrons vagabonds, ce qui impose de recourir à des solutions compliquées et coûteuses pour le protéger.
Une autre amélioration par rapport à cette dernière (brevet US-A-

5.426.345, figure 3) consiste à diviser l'isolant en deux parties (c1, c2) séparées par une électrode intermédiaire (k), connectée à un potentiel choisi de façon à optimiser la répartition de la tension le long de cet isolant. Ce potentiel intermédiaire peut être obtenu par exemple en réalisant un diviseur résistif, ou encore en connectant cette électrode à
un des étages d'un multiplicateur de tension (I). Cette solution permet de réduire l'encombrement de l'isolant, bien qu'il reste assez important, mais ne résout en rien le problème des électrons vagabonds.
Le multiplicateur de tension (I) est un générateur de tension réalisé
suivant le schéma bien de connu de Cockroft-Walton. II s'agit d'un assemblage d'un certain nombre d'étages constitués de diodes et de condensateurs, et dans lequel la tension s'élève progressivement en passant d'un étage à l'autre. Les figures 4a, 4b et 4c montrent quelques configurations possibles pour la réalisation de ce type de schéma (dans ce cas un multiplicateur à 4 étages). De nombreuses variantes peuvent être trouvées dans la littérature.
L'utilisation d'un tel multiplicateur a permis de réaliser une autre solution (brevet US-A-5.191.517, figure 5). Elle consiste à laisser l'isolant (c) dans l'espace anode-cathode, et à le diviser en autant de sections qu'il y a d'étages dans le multiplicateur. Les électrodes intermédiaires (k) séparant ces sections sont alors connectées aux différents potentiels présents le long du multiplicateur. Les équipotentielles (non représentées) sont en fait des lignes perpendiculaires à l'axe du tube et passant par les électrodes (k). Cette solution permet donc d'obtenir une répartition de la tension pratiquement idéale, donc une longueur d'isolant extrêmement réduite. Par contre, le problème des électrons vagabonds reste entier, et d'autre part, le multiplicateur (I) se trouvant sur la partie extérieure de l'isolant, le diamètre extérieur de l'ensemble augmente rapidement dès que la puissance à fournir devient importante, ce qui est un handicap dans la plupart des applications.
La solution constituant l'invention est la suivante (figure 6) l'isolant (c) est disposé dans le prolongement de la cathode. Plus particulièrement, l'ensemble formé par l'isolant et le multiplicateur de tension s'étend à l'intérieur de l'enceinte (h) selon l'axe central dans le prolongement de la zone formée par l'anode et la cathode (b). II est ainsi situé dans une zone où la probabilité qu'il soit heurté par un électron vagabond est considérablement réduite, voire pratiquement nulle.
Un exemple de multiplicateur de tension pouvant être utilisé dans le dispositif selon la figure 6 est illustré à la figure 4c. En effet, ce multiplicateur comporte sept étages et illustre schématiquement comment les différentes électrodes k1 à k6 sont reliées aux différents étages du multiplicateur.
L'isolant est donc divisé en autant de parties qu'il y a d'étages dans le multiplicateur alimentant le tube, exactement comme dans la forme de réalisation illustrée à la figure 5. La différence essentielle est que dans la présente invention le multiplicateur de tension va se trouver à l'intérieur du volume comprenant le tube à rayons X, ce qui va permettre une réduction extrêmement importante des dimensions de l'ensemble, en

-6-particulier du diamètre extérieur. En d'autres mots, le multiplicateur de tension est logé à l'intérieur de l'élément isolant.
La raison de cette réduction des dimensions apparait clairement en comparant les figures 3 et 6. Sur la figure 3, représentant la solution connue, on voit que les équipotentielles doivent être très espacées le long du rayon passant par l'isolant, et ce pour réduire le champ électrique auquel il est soumis.
Par contre, sur la figure 6 représentant l'invention, on voit que toutes les zones soumises à un champ électrique élevé, c'est-à-dire où les équipotentielles sont très serrées, se trouvent dans le vide, capable de supporter beaucoup plus aisément ces contraintes. L'isolant, par contre, se trouve réparti le long du multiplicateur, soit dans une zone où les équipotentielles sont parfaitement réparties. C'est ce qui permet de réaliser un système de diamètre beaucoup plus réduit que dans toutes les solutions existantes, tout en réduisant fortement les contraintes et en augmentant ainsi la fiabilité.
La forme des électrodes intermédiaires doit être étudiée avec soin, de façon à réduire autant que possible le champ électrique, et à protéger au maximum l'isolant des électrons vagabonds résiduels.
La figure 7 (a, b, c) représente trois exemples de formes de ces électrodes. Des calculs par éléments finis montrent que la solution de la figure 7c, à savoir celle où les électrodes comprennent chacune un bout extrême s'étendant parallèlement à une paroi de l'enceinte, est celle qui permet au mieux de réduire le champ électrique tout en assurant une protection optimale de l'isolant.

-7-Cette configuration présente un autre avantage essentiel. En effet, si l'on considère les électrodes intermédiaires k1 à k6 de la figure 6, on constate que ces électrodes présentent une capacité vis-à-vis de la paroi du tube. En se référant au schéma de la figure 4c, on constate que cette capacité remplit exactement la fonction des condensateurs connectés à
la masse, sur la partie inférieure du schéma. En d'autres mots, un condensateur est formé entre chaque électrode et la masse. Ces condensateurs peuvent dès lors étre utilisés pour réaliser un multiplicateur de tension. II n'est donc pas nécessaire de placer ces condensateurs dans le multiplicateur proprement dit, d'où une économie d'encombrement et de prix de revient.
La présente description est faite sur base d'un multiplicateur de tension.
D'autres équivalents techniques entrent également dans le cadre de l'invention.
On peut donc encore ajouter que la configuration décrite pourrait être utilisée avec un dispositif autre que le multiplicateur de tension, pourvu que ce dispositif permette la mise à potentiel des différentes électrodes intermédiaires. II pourrait s'agir, par exemple, d'un diviseur de tension résistif, ou encore de transformateurs disposés en cascade.

Claims (3)

1. Accélérateur de particules comprenant :
- une enceinte (h) électriquement conductrice présentant un axe central ;
- une anode (a) reliée à l'enceinte le long de l'axe central ;
- une cathode (b) logée dans l'enceinte le long de l'axe central ;
- un élément isolant (c) reliant la cathode à l'enceinte, l'élément isolant comprenant plusieurs sections séparées par des électrodes (k1 à k6), dans lequel l'isolant s'étend à l'intérieur de l'enceinte (h) selon l'axe central dans le prolongement de la zone formée par l'anode (a) et la cathode (b).

2. Accélérateur de particules suivant la revendication 1, comprenant - une enceinte (h) en matière électriquement conductrice présentant un axe central ;
- une anode (a) reliée électriquement à l'enceinte le long de l'axe central ;
- une cathode (b) logée dans l'enceinte le long de l'axe central ;
- un élément isolant (c) reliant la cathode à l'enceinte, l'élément isolant comprenant plusieurs sections ;
- un multiplicateur de tension comprenant plusieurs étages, chaque étage ayant un point de contact à potentiel prédéterminé ; et - une série d'électrodes intercalées entre les différentes sections de l'isolant, chacune de ces électrodes étant reliée à un des étages du multiplicateur de tension;
dans lequel - le multiplicateur de tension est logé à l'intérieur de l'élément isolant; et - l'ensemble formé par l'isolant et le multiplicateur de tension s'étend à l'intérieur de l'enceinte (h) selon l'axe central dans le prolongement de la zone formée par l'anode et la cathode (b).

3. Accélérateur de particules suivant l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, dans lequel les électrodes comprennent chacune un bout extrême s'étendant parallèlement à une paroi de l'enceinte, formant ainsi un condensateur entre chaque électrode et la masse.