Procédé et appareil pour la production de très hautes tensions unidirectionnelles pour la radiologie. Les appareils radiologiques du commerce comportent essentiellement un transforma teur-survolteur monophasé et un dispositif (soupape, sélecteur) pour redresser la tension.
De cette façon, on envoie dans le tube une ou deux impulsions, suivant l'appareil employé, pendant chaque période de la ten sion primaire alimentant le transformateur.
En certains cas, ces impulsions sont uti lisées directement dans le tube, en d'autres cas elles servent pour charger des capacités qui maintiennent la tension aux bornes du tube, même pendant les pauses de la tension livrée par le transformateur. Dans tous les cas, il y a intérêt à tirer du secondaire du transformateur le nombre maximum d'im pulsions dans l'unité de temps.
Comme nous l'avons dit, avec un trans formateur monophasé on peut obtenir tout au plus deux impulsions par période et pour réaliser le nombre maximum d'impulsions dans l'unité de temps, il ne reste d'autre moyen que d'augmenter la fréquence à l'aide d'un groupe convertisseur. Un tel groupe n'est jamais économique. Les réseaux de distribution d'énergie électrique livrent l'énergie au consommateur sous la forme de courant triphasé et il est évident qu'en utilisant un transformateur- survolteur triphasé au lieu d'un transforma teur monophasé et en le munissant d'un dis positif redresseur approprié, il sera possible d'envoyer dans le tube six impulsions par pé riode au lieu de deux.
Les avantages du courant triphasé sur le courant monophasé dans les applications in dustrielles sont universellement connus et -de si haute importance qu'en dehors de certains buts tout à fait spéciaux, les distributions d'énergie monophasée ont disparu. De même, on emploie dans tous les dispositifs de con version du courant alternatif en courant con tinu d'une certaine importance du courant triphasé au lieu de courant monophasé.
En effet, les trois ondes & , tension, re dressées et superposées ne laissent jamais tomber la tension à zéro, comme il arrive avec le courant monophasé, mais seulement à une valeur minima de 0,5 de la valeur maxima s'il s'agit d'une courbe sinusoïdale. Les phénomènes d'aplatissement de la courbe réduisent encore la pulsation.
La présente invention vise l'emploi du courant triphasé pour la production de très hautes tensions unidirectionnelles pour la ra diologie, ainsi qu'un appareil pour la mise en aeuvre @du procédé.
Suivant le procédé, on alimente des tubes à rayons X par des tensions triphasées re dressées.
Pour la conversion des courants tripha sés en courants unidirectionnels à des ten sions relativement basses, on peut employer les divers appareils déjà employés dans la pratique, en modifiant ces appareils pour les rendre applicables aux très hautes tensions dont on a besoin en radiologie.
Les dispositifs contenant des capacités donnent une tension pratiquement constante, c'est-à-dire avec une fluctuation périodique très petite, de l'ordre de quelques pour-cent, ceux ne comprenant pas de condensateurs fournissant une tension qui ne tombe jamais à zéro, mais ayant une fluctuation qui pourra atteindre même 30 %.
L'appareil revendiqué pour la mise en #uvre du procédé avec emploi d'un courant triphasé pour charger à travers un sélecteur mécanique deux capacités montées en série sur la ligne, comporte des moyens pour faire coïncider la période de la charge d'un con densateur avec la période de la décharge de l'autre condensateur et pour limiter les pé riodes de charge à une ,agrée égale à celle des périodes de décharge.
On peut classifier ces appareils d'après la méthode employée pour redresser le cou rant en appareils à sélecteurs mécaniques et en appareils à soupapes.
Le dessin annexé représente, schématique ment et à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution de l'appareil pour la mise en oeuvre du procédé, ainsi que des détails de ces formes. Commençons par les appareils à sélecteur mécanique, pour lesquels nous allons donner quelques schémas à titre d'exemple.
Dans l'appareil suivant la fig. 1, un transformateur élévateur (survolteur) tri phasé est couplé par ses circuits secondaires t1, t#., t.- en étoile avec centre 0 accessible.
Deux sélecteurs cao, respectivement bo, chacun comportant trois contacts 1, 2, 3, décalés en tre eux de 120 et un conducteur le, respec tivement let tournant, dont le nombre de tours par minute est égal â la demi-fréquence de la tension d'alimentation du transforma teur .élévateur, c'est-à-dire commandé par un moteur synchrone à quatre pôles, chargent deux capacités Cl, CZ avec les tensions de phase E du survolteur.
Le sélecteur ao charge donc par rapport au centre 0 du transforma teur la capacité Cl avec les alternances posi tives du système triphasé, l'autre b, charge la capacité C, avec les alternances négatives.
La tension de courant continu que l'on utilise est branchée sur les bornes marquées avec -f- et - dans la figure et c'est la somme des tensions existant sur les deux capacités. Cette tension est ,égale à la double tension de phase du transformateur. Les cercles tracés en pointillé dans la fig. 1 indiquent les tra cés des extrémités des conducteurs<I>le,</I> respec tivement 7c1.
La ligne tracée en pointillé et désignée par 1,73 E indique par ses extrémités en forme de flèche les pointes où les -différen ces de potentiel sont appliquées.
La forme d'exécution suivant la fig. 2 comporte un transformateur-élévateur tri phasé ayant les secondaires t1, t2, t., couplés en triangle; il envoie un courant triphasé à un sélecteur à trois contacts al, a2, a3, décalés entre eux de 120 .
Deux capacités Cl et CZ sont branchées entre les bornes -I- et - d'utilisation de la tension de courant continu.
On pourrait aussi remplacer les deux ca pacités par deux groupes de capacités.
Le sélecteur, en plus des trois contacts <I>ai,</I> a., aa, possède d'eux ternes de contacts dont le premier (b1, b2, b..) est couplé à Par- mature d'une capacité C, et à la borne -i-, l'autre (d,, d2, d3) est couplé à l'armature d'une capacité C, et à la borne -.
La partie tournante du sélecteur (nombre de tours par seconde égal à la demi-fréquence, c'est-à- dire commandée par un moteur synchrone à quatre pôles) comporte: 1 Une croix conductrice à angles droits, dont les bras el, e2, e3, <I>e4</I> couplent successi vement les bornes al, a2, <I>a3</I> au centre ol des deux capacités.
2 Une tige t, en matière isolante munie à ses deux extrémités de conducteurs f 1, f2 qui, au cours d'une rotation de la tige t, éta blissent successivement les connexions métal liques entre les contacts al,<I>ai!,</I> a3 et les con tacts b1, b2, b3.
3 Une deuxième tige t2, en matière iso lante, décalée de 90 par rapport à la tige t, et portant aux deux extrémités deux con- clueteurs 9l, 92 destinés à établir successive ment des connexions métalliques entre les contacts<I>al,</I> a2, <I>a;</I> et les contacts dl, d2, d3.
Les deux tiges t1, t2 du sélecteur sont en retard dans le sens de rotation de .30 par rapport à la croix conductrice el, e2, e3, e4.
Lorsque l'ensemble rotatif du sélecteur se trouve dans la position indiquée à la fi-. 2, la capacité Cl est chargée au moyen des conducteurs e., <I>et f 2</I> par la tension exis tant entre les contacts a2 et a3 qui, à cet ins tant, doit être positive en a3.
Lorsque le temps nécessaire pour une ro tation de 30 s'est écoulé, la capacité Cz est chargée par les conducteurs e, et g2, par la tension existant entre les contacts al, a2, ce dernier étant négatif.
Après une autre période nécessaire pour une rotation nouvelle de 30 , la capacité C, sera, chargée à nouveau positivement par rap port à 0, au moyen des conducteurs f, et e4 avec la tension existant entre a, et ai,.
En continuant ainsi le raisonnement pour les positions de 30 à 30 degrés de rotation correspondant aux déplacements de phase de tension existant entre les bornes a,<I>a,,</I> a.., on voit que la capacité Cl est chargée positive ment par rapport au point 0, et la capacité C, est chargée négativement par rapport au même point.
Entre les bornes d'utilisation on aura donc, lorsque l'appareil marche à vide, une tension qui est deux fois celle existant aux bornes du transformateur triphasé. En in diquant par E la tension de phase du trans formateur, si les secondaires se trouvent en triangle, on aura sur la ligne la tension 2 E (cas de la fig. 2); si les secondaires étaient en étoile, on aurait une tension 3#E---3,46E. Les cercles tracés en pointillé dans la fig. 2 indiquent le trajet des extrémités des conducteurs rotatifs.
La fig. 3 montre un appareil spécialement approprié pour la diagnose. Cet appareil fournit au tube une tension égale à celle de phase et une intensité 1,73 fois plus grande que celle de phase.
L'appareil comporte un transformateur survolteur triphasé avec les secondaires t1, 41 t3, en triangle, dont les bornes à haute ten sion sont couplées chacune avec deux contacts 1, respectivement 2, respectivement 3, se trouvant sur deux sélecteurs ao, bo. Les con tacts 1, 2, 3 de chaque sélecteur qui sont couplés aux bornes. du transformateur sont d'écalés entre eux de 120 .
Sur chaque sé lecteur il y a en outre un second terne de contacts (a,, a2, a3, respectivement b1, b2, b3) décalés de 120 entre eux et de 60 par rap port aux contacts 1, 2, 3 correspondants.
Le terne de contacts al, cc2, a3 du sélecteur a est couplé avec la borne -f- d'utilisation de l a tension redressée, le terne de contacts <I>b,,</I> b2, b3 du sélecteur<I>b</I> est couplé avec la borne d'utilisation -.
Les contacts mobiles,des sélecteurs (tour nant d'un nombre de tours égal à la demi fréquence de la tension d'alimentation du transformateur élévateur, c'est-à-dire com mandés par un moteur synchrone à quatre pôles) sont formés par deux tiges conduc trices f, respectivement g, isolées de la terre et décalées entre elles de 60 . Ces tiges sont destinées à effectuer par leur rotation un cou- plage métallique entre les contacts diamétra lement opposés de chaque sélecteur.
Ces tiges établissent les connexions de sorte à obtenir une tension redressée entre les bornes -I- et - de valeur égale à celle exis tant entre les bornes à haute tension du sur volteur.
En faisant convenablement l'angle de dé calage des tiges mobiles entre elles, on peut faire fonctionner le même appareil avec .des vitesses angulaires des contacts mobiles dif férentes<I>(N = f .</I> 60;<I>N - f . 30; N =</I> f <I>.</I> 15; <I>N = f .</I> 10,<I>f</I> étant la fréquence de la tension alimentatrice).
Si l'appareil doit fournir des charges fort variables, il est utile de prévoir un dispositif mécanique ou électrique permettant de faire varier la. phase des tiges mobiles par rapport aux tensions livrées par le transformateur, même pendant la marche de l'appareil.
Nous allons maintenant décrire quelques exemples comportant des redresseurs à sou papes thermoioniques. Les fig. 4 et 5 mon trent les schémas de deux appareils compor tant trois paires de soupapes redresseuses s@, s , s3 et quatre transformateurs d'allumage <I>a',</I> a2, a3, a4 pour lesdites soupapes.
Dans l'appareil suivant la fig. 4, châ- cune des trois bornes à haute tension du transformateur, couplées en étoile, est couplée à la cathode et l'autre à l'anode des soupapes d'une paire de soupapes.
Le centre 0 du transformateur est relié avec le centre 0, des deux capacités Cl, C2. Les cathodes des trois soupapes couplées par leurs anodes aux bornes du transformateur triphasé sont en communication métallique avec la capacité Cl et avec la borne -% d'u tilisation de la tension de courant continu pro duite. Les anodes des trois soupapes couplées par leurs cathodes aux bornes du transforma teur triphasé sont connectées avec le conden sateur C, et à la borne - d'utilisation de la tension de courant continu.
Les transformateurs<I>al,</I> a2, a3, a4 forte ment isolés servent à l'allumage des filaments cathodiques des six soupapes. Pendant le fonctionnement, à chaque pé- riod'e, les trois alternances positives du cou rant triphasé chargent par rapport au centre 0, la capacité C,, les alternances négatives, la capacité C2. Entre les bornes d'utilisation reste donc disponible la somme des diffé rences de potentiel existant sur les deux ca pacités. .
L'appareil suivant la fig. 5 ne diffère de celui de la fig. 4 que par le fait que le trans formateur survolteur triphasé est couplé en triangle et que les capacités C, et C2 sont supprimées. Par conséquent, on aura dispo nible sur la ligne une tension redressée ayant une valeur-maximum égale à celle existant entre les bornes du transformateur.
Suivant la fig. 5, la tension de ligne est égale à la tension -de phase, mais le courant de ligne est<B>1,73</B> fois aussi intense que le courant de phase.
L'appareil suivant la fig. 4 sera donc spé cialement utilisé lorsqu'on désire de fortes tensions (thérapie), tandis qu'on utilisera l'appareil suivant la fig. 5 quand on a besoin de fortes charges (diagnose).
Si une seule soupape thermoionique ne peut pas supporter toute la tension, on peut réaliser les mêmes appareils en disposant deux soupapes en série. On peul; aussi recou rir à des types spéciaux de soupapes à plu sieurs cathodes ou à plusieurs anodes, comme dans l'appareil représenté à la fig. 6.
Dans cette figure, il s'agit d'un appareil semblable à celui de la fig. 5, sauf que le survolteur est couplé en étoile et qu'au lieu de six soupapes thermoioniques du type com mun, on- emploie deux soupapes thermoioni- ques de type spécial, dont l'une V1 est munie de trois cathodes et d'une anode, et l'autre F, est munie de trois anodes et d'une ca thode.
Le fonctionnement est analogue à celui de l'appareil suivant la fig. 5; Pour amortir les effets oscillatoires qui peuvent se produire dans la ligne, on monte avantageusement sur les pôles du traDsfor- mateur, ou sur les condensateurs, ou sur le tube, ou sur plusieurs points simultanément des résistances ou des inductances.
Une forme efficace d'inductance est celle formée par des enroulements de fil de fer qui, tout en laissant passer sans inconvénient les petites intensités en jeu dans cette espèce d'appareils, absorbent énergiquement les cou rants à fréquence élevée à cause de leur ef fet Kelvin.
Le sélecteur indiqué schématiquement à la fig. 1, peut être réalisé (fig. 7) moyennant un moteur synchrone à quatre pôles (non in diqué dans la fig. 7) accouplé rigidement ou par l'entremise d'un joint permettant des dé placements angulaires déterminés à un arbre o-o portant quatre aiguilles <B>Il,</B> d3, 4,<B>1</B><I>4</I> en matière isolante. Les deux aiguilles l2, <B>1,</B> forment une seule pièce en forme d'une croix à angles droits, tandis que les aiguilles h et l4 ne comportent que deux bras.
Les quatre ai guilles sont disposées en trois plans diffé rents, comme on le voit à la fig. 7. Dans la périphérie de chaque cercle I, respective ment II, respectivement III décrits par les extrémités libres desdites aiguilles pendant la rotation de celles-ci, sont fixés et espacés de 120 entre eux, trois contacts métalliques a, b, c placés sur trois génératrices du cylin dre déterminé par les cercles I, II, III. Sur les cercles I et III les trois contacts<I>a, b, c</I> sont reliés électriquement entre eux, et cha cun de ces deux groupes de contacts est rac cordé à un pôle de la ligne à courant continu et à l'une des capacités de l'appareil.
Les trois contacts<I>a, b,</I> c prévus sur la périphérie du cercle II par contre sont raccordés aux bornes du transformateur triphasé. Les extrémités des aiguilles tournantes portent des contacts métalliques- reliés entre eux, deux par deux, par quatre conducteurs métalliques m.
On voit qu'au moyen de ce dispositif on a réalisé l'appareil mentionné ci-dessus en in terrompant le circuit de chaque phase en deux endroits.
Un autre type de sélecteur applicable au même appareil est indiqué à la fig. 8. Le moteur synchrone M à quatre pôles porte aux extrémités de son arbre o-o .deux aiguilles 1z, <B>1</B><I>3</I> en matière isolante. L'arbre métallique du moteur est prolongé à ses deux extrémités par deux arbres il, i2 dont les bouts libres tournent dans les paliers I et III montés dans des supports isolants non indiques dans le dessin. Les extrémités des aiguilles tournan tes portent des contacts reliés respectivement aux paliers I et III par les conducteurs m.
Dans la périphérie de chaque cercle II, respectivement II', décrit par les extré mités libres de chaque aiguille tournante sont prévus trois contacts fixes a, b, c, respecti vement a'. b', c', décalés de 120 entre eux. Chaque couple de contacts<I>a, a', b, b',</I> c, c'est relié à un pôle @du transformateur, tandis que les paliers I, III constituent les pôles à cou rant continu et comme tels sont reliés aux ar matures des condensateurs de l'appareil. Cette forme d'exécution du sélecteur interrompt chaque phase en un seul endroit, mais elle est beaucoup moins encombrante que la pré cédente.
La présence des arbres il, i2 en ma tière isolante ne représente pas un point dé licat du dispositif, car ces arbres n'accom plissent aucun travail mécanique. Du reste, on pourrait même les supprimer et fixer les conducteurs mobiles m directement sur les paliers,d'e l'arbre o--o.
Une autre forme d'exécution du sélecteur est représentée à la fig. 9 qui montre une moitié seulement du sélecteur complet. Dans ce sélecteur, les arbres en matière isolante <I>il,</I> i, (non représenté) portent chacun à proximité du palier une petite aiguille 1l en matière isolante, les extrémités de chaque ai guille h portant un contact métallique relié par le conducteur m au contact correspondant de l'aiguille<B>1,</B> (respectivement l3, cette der nière n'étant pas visible).
Dans le champ de chaque aiguille 1l sont disposés trois contacts <I>al,</I> b1, cl, espacés entre eux de 120 . Une étoile métallique de conducteurs K espacés ,de 120 entre eux et dont les extrémités li bres sont connectées avec les contacts al, b1, cl, est fixée sur chaque palier portant les ar bres il, i2 et est raccordée métalliquement à la ligne à courant continu. De cette manière on interrompt chaque phase en deux endroits.
Dans les sélecteurs d'après les fig. 8 et 9, on peut fixer les paliers I et III sur les ar matures des .condensateurs elles-mêmes et sup primer de la sorte les supports spéciaux qui autrement sont nécessaires.
Dans les divers appareils décrits, il n'est pas nécessaire que le centre électrique du se condaire soit relié à la terre. On peut isoler ce centre et alors il faut isoler de la terre aussi les armatures des condensateurs. En prolongeant quelque peu les contacts, on peut supprimer les condensateurs et se ser vir de l'appareil pour produire des tensions plus basses et des intensités élevées telles qu'on les demande pour les diagnoses. Au cas où le centre du secondaire est isolé, l'exclu sion des condensateurs peut .être réalisée en supprimant simplement la connexion avec le dit centre et en courtcircuitant pour plus de sûreté les deux armatures @de chaque conden sateur.
Au cas où l'on a besoin de très hautes intensités, on pourrait coupler en triangle aussi le secondaire du transformateur. Par suite .de l'exclusion -des condensateurs, le cou rant naturellement n'est plus continu, mais pulsatoire avec trois f impulsions par se conde, f étant la fréquence d'alimentation.
Les aiguilles en matière isolante l2, 13 des fig. 8 et 9, peuvent être fixées à l'arbre o-o du moteur, soit rigidement, soit par l'entre mise de joints permettant des déplacements angulaires. Lorsque les aiguilles sont fixées rigidement, une disposition pratique pour la mise en phase consiste à caler (fig. 10) le rotor R du moteur sur un f aux arbre creux B coaxial avec l'arbre o-o qui porte les ai guilles. La connexion entre les deux arbres peut être effectuée par des vis ou par d'au tres dispositifs équivalents.
Les types de transformateurs qu'on peut appliquer de préférence à ces sélecteurs sont les suivants: 1 Transformateur triphasé à noyau sy métrique, avec enroulement primaire, enrou lement secondaire et noyau immergés dans l'huile. Ce type garantit au plus haut degré l'égalité des trois tensions de phase indépen- damment de la charge, de même que l'isole ment des diverses parties.
2 Transformateur triphasé à trois noyaux, disposés dans le même plan, les en roulements primaire et secondaire ainsi que les noyaux étant immergés dans l'huile; ce transformateur est plus maniable que le pré cédent, mais il présente un fort manque d'é quilibre pour les courants absorbés à vide.
8 Trois transformateurs monophasés dont l'enroulement primaire et secondaire, ainsi que le noyau sont immergés dans l'huile. L'ensemble est un peu plus lourd qu'aux deux cas précédents, mais le transport de l'appareil est beaucoup facilité du fait que les dimen sions des diverses parties sont réduites. En outre, ce dispositif offre l'avantage qu'en cas ,de dérangement d'un ou de deux transforma teurs, l'appareil est encore capable de fonc tionner bien qu'avec une puissance réduite et ne livrant plus une tension exactement con tinue.
4 Etant donné que dans ces transforma teurs l'huile a pour but d'assurer l'isolement et non le refroidissement, on peut considéra blement réduire le poids en laissant dans l'air le primaire et le noyau et en enfermant seu lement le circuit secondaire dans une boîte en matière isolante, par exemple du papier bakélisé et de forme appropriée. Le poids de l'appareil est ainsi fortement diminué, et une sensible réduction de l'encombrement est réa lisée par la suppression des gros isolateurs de traversée nécessaires pour les transformateur: renfermés dans une boîte métallique.
Cette idée est applicable aux transforma teurs des types 1 à 3 indiqués ci-dessus. Les fig. de 11 à 15 montrent plusieurs formes de boîtes isolantes où le circuit se condaire est indiqué schématiquement.
Pour les types 1 et 2, on peut employer une boîte E (fig. 11 et 12) en matière iso lante, dans le fond F de laquelle sont soudés trois tubes verticaux I, II, III dans lesquels sont logées les branches du noyau avec leurs enroulements primaires (non représentés aux fig. 11 et 12), les trois secondaires étant im mergés dans l'huile contenue dans la boîte. Ou bien on peut prévoir trois récipients sé parés, chacun semblable au récipient E de la fig. 13 pour les trois secondaires.
Dans les fig. 11 à 14, p, respectivement p"', <B><I>p\</I></B> est la sortie du secondaire à très haute tension, tau dis que W, respectivement û', <I>u</I>\ est l'autre bout de secondaire à tension plus basse. Si, pour ce pôle aussi un isolement élevé est Ie- mandé, on fera les sorties u', û', û <I>"</I> égales <I>à</I> P"" p @.
Le type 3 peut être réalisé avec trois transformateurs ayant chacun un seul secon daire logé dans une boîte E en matière iso lante (fig. 13), le secondaire étant enfilé sur une branche du noyau (dans ce cas on aura aussi un seul primaire enfilé sur cette même branche); ou bien chaque transformateur peut comporter deux secondaires en série en roulés sur les deux branches du noyau et lo gés dans un récipient unique E1 (fig. 15) ou dans deux récipients séparés E', E2 (fig. 14) du type du récipient E de la fig. 13.
Dans les figures, les couvercles des réci pients en matière isolante ne sont pas indi qués. La forme des couvercles est analogue à celle des fonds F.
Pour maintenir fixe le centre des tensions secondaires et empêcher les harmoniques, il faut que les primaires soient couplés en trian gle ou, s'ils sont couplés en étoile, il faut prévoir un circuit tertiaire à basse tension couplé en triangle.