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Procédé pour l'obtention d'ions d'un seul signe et générateur d'ions pour la mise en aeuvre de ce procédé La présente invention a pour objet un procédé pour l'obtention d'ions d'un seul signe et un générateur d'ions permettant la mise en oeuvre de ce procédé.
Dans de nombreuses applications industrielles, on a besoin d'un générateur d'ions produisant de grosses quantités d'ions d'un seul signe, afin d'éliminer des charges d'électricité statique.
L'emploi d'une radiation à haute énergie telle que celle provenant de sources de rayons bêta et gamma pour la production d'ions unipolaires a été relativement limité, en raison de la production d'une radiation secondaire gamma indésirable et de la dispersion de rayons bêta et gamma dans des zones où ils constituent un problème d'exposition aux rayons. La portée des rayons durs bêta dans l'air a rendu difficile la construction de chambres d'ionisation en raison des dimensions vastes et encombrantes, normalement requises.
C'est la raison pour laquelle les tentatives faites jusqu'ici pour utiliser des particules radioactives à haute énergie dans les dispositifs générateurs d'ions ont conduit à des dispositifs qui présentent soit un niveau d'ionisation trop bas pour être efficaces, le matériau radioactif étant utilisé de façon inefficace, soit un prix de revient et un encombrement qui en interdisent l'emploi pratique. C'est pourquoi le besoin s'est fait sentir d'un nouveau générateur d'ions produisant des ions d'un seul signe en grande quantité, de façon à être utilisable dans de nombreuses applications industrielles nécessitant de grosses quantités d'ions, telles que, par exemple, l'élimination des charges statiques.
Le procédé, suivant l'invention, est caractérisé en ce qu'on fait se réfléchir le rayonnement d'une source radioactive, de façon à le faire circuler plus longuement dans de l'air où il produit des ions des deux signes dans un espace prédéterminé, qu'on crée un courant d'air dans ledit espace pour déplacer les ions produits vers un second espace, et qu'on établit un champ électrostatique ayant un de ses pôles dans ledit second espace, le tout de manière que les ions d'un signe soient réunis dans ledit second espace que les ions de l'autre signe traversent.
Le générateur d'ions, suivant l'invention, est caractérisé par une source radioactive, par un élément réflecteur en un matériau très dense entourant ladite source radioactive, la distance entre la source radioactive et ledit élément étant inférieure au parcours moyen des rayons de ladite source, de sorte que les rayons sont réfléchis par ledit élément, cet élément présentant une ouverture dans laquelle est disposée une chicane devant empêcher les rayons radioactifs de passer à travers elle, et par des moyens pour établir un champ électrostatique dans ladite ouverture afin de piéger les ions indésirables.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, deux formes d'exécution du générateur constituant l'un des objets de l'invention.
La fig. 1 est une vue en perspective de la première forme d'exécution.
La fig. 2 en est une vue latérale en élévation, certaines parties étant arrachées.
La fig. 3 est une coupe suivant la ligne III-III de la fig. 2.
La fig. 4 est un schéma électrique du générateur d'ions montrant aussi les champs créés entre les deux électrodes.
La fig. 5 est une vue montrant le fonctionnement de la chicane pour rayons bêta.
La fig. 6 est une vue isométrique montrant la seconde forme d'exécution du générateur d'ions.
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Le générateur d'ions consiste en un élément fait en un matériau à faible densité ayant des extrémités ouvertes, qui entoure un élément fait en un matériau très dense ayant aussi des extrémités ouvertes. Une source radioactive émettant des rayons à forte énergie est montée dans l'élément dense.
L'espacement entre la source radioactive et l'élément dense est tel qu'il est inférieur au libre parcours moyen dans l'air des rayons radioactifs, de sorte que ces rayons heurtent l'élément dense qui les réfléchit; en d'autres termes une partie de ces rayons sont réfléchis d'une surface à une autre, pour créer un grand nombre d'ions, positifs et négatifs, dans le volume d'air limité par l'élément dense. Des charges positives sont appliquées aux deux éléments de façon à établir un champ électrostatique entre eux afin de séparer les ions désirés des ions indésirables.
Le générateur d'ions est protégé de telle manière qu'il n'y ait pas de risques de radiations, tout en produisant des grosses quantités d'ions du signe désiré à un prix relativement bas.
Le générateur d'ions 14, représenté en fig. 1 à 3, est placé, pour son transport, dans un boîtier 11, qui renferme également une source de courant 12. Le générateur d'ions 14 se range dans l'espace libre 13. Il consiste en un élément tubulaire extérieur 16, dont les extrémités sont ouvertes, et qui est fait en un matériau à faible densité, tel que l'aluminium. Par faible densité, on entend un matériau ayant un nombre atomique de 25 ou moins. L'élément tubulaire extérieur 16 est fixé par une paire de supports 17 en bois montés sur la face inférieure de l'élément tubulaire 16.
Un élément tubulaire intérieur 18, dont les extrémités sont ouvertes, est monté à l'intérieur de l'élément tubulaire extérieur 16. Cet élément tubulaire intérieur 18 a un diamètre extérieur sensiblement moindre que celui du diamètre intérieur de l'élément tubulaire extérieur. L'élément tubulaire intérieur présente également une longueur sensiblement inférieure à celle de l'élément tubulaire extérieur. L'élément tubulaire intérieur est fait en un matériau très dense, tel que le plomb. Par matériau très dense, on entend un matériau ayant un nombre atomique supérieur à 25.
L'élément tubulaire intérieur 18 est tenu dans l'élément tubulaire extérieur 13 par une paire de supports 19, en une matière isolante, telle que de la matière plastique, maintenus en place par des vis 21, vissées dans ces supports 19, à travers l'élément tubulaire extérieur 16 et à travers l'élément tubulaire intérieur 18.
Une source radioactive 23 est montée à l'intérieur de l'élément tubulaire intérieur 18. Elle peut être constituée par une source de Krypton-85 (Kr85). Comme le Kr85 est un gaz, il est enfermé dans une ampoule mince de métal 24, en aluminium ou en un autre matériau à faible densité, scellé à ses deux extrémités par des bouchons 26.
La source radioactive 23 est supportée par une paire de bras 27 montés sur un bloc 28 de matériau isolant, tel que du plexiglas. Le bloc 28 est fixé à l'élément tubulaire intérieur 18 de telle manière que l'axe de la source radioactive 23 coïncide sensiblement avec l'axe de l'élément tubulaire intérieur 18.
Des écrans 31 disposés aux extrémités opposées de la source radioactive 23 ont la forme de cônes avec les extrémités pointues dirigées vers les extrémités ouvertes de l'élément tubulaire 18 pour réduire la turbulence de l'air dans l'élément 18. Les écrans coniques 31 sont en un matériau à faible densité, tel que l'aluminium. Ils sont montés sur les extrémités extérieures de la source radioactive 23 et sont supportés par des bras 27.
Des moyens font circuler un flux d'air à travers l'élément tubulaire intérieur 18 et entre cet élément et l'élément tubulaire extérieur 16. Ces moyens peuvent être constitués par une source d'air comprimé indépendante reliée à l'élément extérieur 16 par un tuyau, ou pourront être constitués par un ventilateur 33 monté à une extrémité de l'élément tubulaire extérieur 13 et faisant circuler l'air de droite à gauche dans la fig. 2. Ce ventilateur est entraîné par un moteur 34 de telle manière qu'il gêne le moins possible le flux d'air à travers l'élément tubulaire extérieur 16.
Le ventilateur 33 est muni de plusieurs pales 36 dont la forme est particulière, comme le représentent les fig. 2 et 3, de telle sorte qu'elles se recouvrent et qu'elles passent au voisinage immédiat de la surface intérieure de l'élément tubulaire extérieur 16. Les pales 36 du ventilateur sont en un matériau à faible densité, tel que l'aluminium ou de la matière plastique, afin de réduire la radiation secondaire et sert d'écran empêchant la fuite de la radiation primaire hors de l'élément tubulaire extérieur 16. Le moteur 34 est monté dans l'élément tubulaire extérieur au moyen de barres 38 fixées au moteur par soudage et fixées à l'élément tubulaire 16 par des équerres 39 munies de vis 41.
Une chicane pour les radiations 46 est montée à l'extrémité antérieure de l'élément tubulaire intérieur 18. Elle est formée d'un matériau non conducteur, pour réduire les radiations secondaires d'électrons. Le bouchon isolant formant la chicane 46 présente une épaisseur importante t. II est percé de plusieurs trous 47 forés dans la matière plastique et s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal de l'élément tubulaire intérieur 18. Ces trous d'un diamètre d sont répartis sur toute la surface du bouchon isolant 46; ils sont destinés à permettre le passage de l'air à travers l'élément tubulaire intérieur 18, tout en empêchant la fuite de radiations hors de l'élément tubulaire 18. Ce bouchon est représenté en fig. 5.
Le rapport dlt du diamètre de base à l'épaisseur (fig. 5) est déterminé par l'angle d'incidence minimum ft. Cet angle Î# délimite le flux rayonnant qui, après avoir passé par un trou 47, produit une radiation dont le niveau satisfait aux conditions de sécurité exigées. L'établissement de la chicane est régi par le choix du rapport A/O de la surface solide à la surface libre
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des trous. Ce rapport est choisi de façon à obtenir la production d'ions maximum tout en maintenant la radiation filtrante à un niveau acceptable.
La source de courant continu 12 comprend des moyens permettant d'appliquer des charges opposées à l'élément tubulaire extérieur 16 et à l'élément tubulaire intérieur 18 (fig. 4) ; elle est reliée à une source d'alimentation, telle qu'un secteur alternatif, par un câble 51. Un interrupteur 52 est prévu, permettant d'enclencher et de déclencher le courant. Une lampe témoin 53 indique si la source de courant est enclenchée ou déclenchée. Un fusible 54 prévient les surintensités. La source de courant alternatif est reliée à un transformateur 56 dont le courant secondaire alimente un redresseur 57, en pont, d'où partent les conducteurs 58 et 59 reliés à l'inverseur de sortie 61.
Les conducteurs 58 et 59 sont montés dans un câble 62 qui porte aussi les conducteurs 63 et 64 alimentant le moteur 34 du ventilateur.
Les câbles 51 et 62 peuvent être ôtés et rangés dans l'espace 66 prévu dans le boîtier 11. Des poignées 67 permettent de saisir le générateur d'ions 14 pour le placer dans l'espace 13.
Un champ radial (fig. 4) est établi entre les éléments tubulaires extérieur 16 et intérieur 18. Il se transforme en un champ marginal à l'ouverture antérieure de l'élément tubulaire intérieur et dans la région où se trouve placée la chicane 46.
Le fonctionnement du générateur d'ions est le suivant : Une charge négative ayant été appliquée à l'élément intérieur 18 et une charge positive à l'élément extérieur 16, la source radioactive étant du krypton-85. Le krypton-85 émet des rayons bêta durs, des rayons gamma et des rayons gamma secondaires. Les radiations r) primaires dures se propagent à un peu plus de 30 cm dans l'air libre. Ces électrons à haute énergie frappent la surface intérieure de l'électrode 18 par laquelle ils sont réfléchis. Cette réflexion accroît la trajectoire d'ionisation utilisable des particules bêta dures par rapport à la longueur normale de la trajectoire allant de l'émetteur à l'électrode 18.
La radiation gamma directe de la source de krypton-85 est ramenée à un niveau acceptable par une protection de plomb constituée par l'élément cylindrique intérieur 18.
Les ions formés dans l'élément tubulaire intérieur sont poussés vers l'extérieur en passant à travers l'élément tubulaire intérieur.
L'appareil est parfaitement efficace pour l'obtention de grandes quantités d'ions de l'un et l'autre signe.
Dans une forme d'exécution, les dimensions suivantes ont été utilisées.
Elément tubulaire extérieur 16: Diamètre extérieur 203, 2 mm (= 8"); diamètre intérieur 201,6 mm; épaisseur: 0,8 mm (= 1/32") ; longueur: 711,2 mm (= 28"). Elément tubulaire intérieur 18: Diamètre extérieur 139,7 mm (= 5 1/2") ; diamètre intérieur 127,8 mm (= 5") ; épaisseur : 19 mm (= 3/,1") ; longueur : 355,6 mm (= 14").
Ecrans coniques 31 : Diamètre maximum: 50,8 mm (= 2").
Chicane pour rayons bêta: t = 25,4 mm; d = 4,7 mm ; A = 71,68 cm2 ; O = 51,87 cm' ; 19 = 21,3o.
Une tension de 1600 V a été appliquée à l'élément tubulaire extérieur 16. Avec une vitesse de déplacement de l'air de 40,6 mètres/sec, on a pu obtenir 6,24 X 1011 ions négatifs à la seconde.
Les données ci-dessus sont uniquement indicatives. Le premier critère est de concevoir la chambre à ions et les organes annexes de manière à pouvoir tirer le maximum d'avantages de la réflexion des radiations, avec un effet minimum sur l'air circulant, ce qui détermine la forme et les dimensions des éléments 16 et 18. La forme et la dimension des blocs de support, des cônes 31 formant écran, et autres organes, sont aussi importantes pour que la turbulence dans l'appareil soit réduite au minimum. La dimension des écrans, bien entendu, dépend de la dimension de la source de radiation. Les chicanes doivent être construites de manière à être efficaces sans produire de contre-pression à l'intérieur de l'appareil.
Lorsque le ventilateur fait partie intégrante de l'appareil, ses pales doivent être faites d'un matériau suffisamment lourd et doivent être disposées de telle manière qu'elles constituent un écran adéquat. Le ventilateur, en même temps, doit produire un flux d'air convenable à travers l'appareil, tout en maintenant la turbulence à un minimum.
Dans certaines applications du générateur d'ions, il est avantageux de choisir une autre forme d'exécution, représentée en fig. 6, particulièrement utile pour l'élimination des charges statistiques d'électricité. Cela est particulièrement vrai où une forte concentration d'ions d'un seul signe est désirée dans un espace relativement restreint. Dans certains cas, la diffusion d'un nuage d'ions soufflé par un appareil peut être telle que la densité réelle des ions descend au-dessous du point limite qui permet le contrôle de la formation de charges statiques.
Dans ce cas, il est désirable de concentrer le nuage d'ions sur les articles sur lesquels il est désiré de constater la formation de charges statiques afin d'augmenter la concentration d'ions et d'assurer la commande de la formation des charges statiques.
Lorsqu'il est possible de placer le générateur d'ions à proximité immédiate du point d'utilisation, l'emploi d'une lame radioactive telle que du radium ou du polonium 210 a été quelquefois avantageux, du fait que ces matières produisent un nuage d'ions extrêmement dense à proximité relativement immédiate. Cependant, de telles sources posent de nombreux problèmes dans certaines applications où il est
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impossible d'utiliser le générateur d'ions à proximité immédiate de la zone d'emploi.
Un appareil particulièrement utilisable pour de tels buts est représenté en fig. 6 et consiste en une source radioactive 71 d'un matériau convenable tel que du krypton-85. Le krypton-85 est capsulé dans un tube long, hermétiquement scellé, fait d'un matériau à basse densité tel que de l'aluminium. Cette source tubulaire 71 est montée dans un écran cylindrique 72 d'un matériau convenable dont le nombre atomique est supérieur à 25 et est supportée par des blocs 73. L'écran cylindrique 72 présente une fente allongée 76 qui s'étend sensiblement sur toute la longueur et qui est munie d'une chicane 77 faite en un matériau convenable tel que de la matière plastique.
Cet écran constitue un écran pour radiations bêta similaire à celui qui a été décrit plus haut dans la forme d'exécution des fig. 1 à 5. L'élément cylindrique présente des extrémités 74 qui servent également d'écran.
Comme l'émission d'ions provenant du générateur représenté en fig. 6 est normalement diffuse, il est indiqué, dans certaines applications, d'augmenter la concentration d'ions dans la zone utile, en plaçant une cible métallique 82 sur le côté de la zone 81 opposé à la fente 76. L'écran 72, de même que la cible 82, sont mis à la terre, et un courant continu à haute tension est appliqué à la source radioactive pour établir un champ électrique entre l'écran et la source. Un champ est également établi entre la cible 82 et la source radioactive 81. La cible 82 sert à attirer les ions désirés alors que les ions indésirables sont attirés et collectés par la source lorsqu'ils retournent vers elle, et supprimés.
Une source d'air comprimé, non représentée, peut être introduite dans la chambre formée par l'écran 72 pour aider à l'éjection des ions désirés.
Les ions désirés sont attirés dans la zone intéressante avec peu ou pas de diffusion, de sorte qu'il est possible de contrôler la formation de charges dans la zone 81. L'invention fournit un nouveau générateur d'ions et un nouveau procédé d'obtention d'ions particulièrement adaptés à la formation de grandes quantités d'ions d'un signe désiré, de façon efficace et en quantité suffisante pour que l'appareil puisse être utilisé dans de nombreuses applications industrielles pour la formation de charges statiques. Le faible niveau des radiations provenant de l'appareil est tel que celles-ci sont largement acceptables conformément aux prescriptions de sécurité actuellement en usage.