EP0316841A1 - Source for generating energetic electrons in a gas - Google Patents
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- EP0316841A1 EP0316841A1 EP88118950A EP88118950A EP0316841A1 EP 0316841 A1 EP0316841 A1 EP 0316841A1 EP 88118950 A EP88118950 A EP 88118950A EP 88118950 A EP88118950 A EP 88118950A EP 0316841 A1 EP0316841 A1 EP 0316841A1
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Definitions
- the present invention relates to the production of a beam of energetic electrons.
- electrons having an energy between 1 and 100 keV, approximately. It is generally desired by the users of such beams that this production be economical, and that the current density and the total intensity of the beams produced are large.
- the electron beam produced is impulse and intended to strike a target, for example of tantalum, to generate an X-ray beam, this latter beam being intended to pre-ionize a discharge chamber of a laser at impulse gas.
- a target for example of tantalum
- the pumping of a gaseous optical amplification medium is carried out by an electric discharge, the homogeneity of which is often obtained by preionization of this medium by an impulse beam of X-rays.
- the energy of the latter must then be sufficient for them to enter the discharge chamber without appreciable losses through a sealed and resistant window. And their intensity must be sufficient to ensure effective preionization, this in a short period of time, for example 20ns.
- the electron beam must therefore have a high current density, for example 400 A / cm2.
- the known energetic electron generators most used in such an application are impulse guns with cold cathode. They generally operate in a high vacuum called secondary vacuum for example 10 ⁇ 3 or 10 ⁇ 4 Pa, so as to avoid that the electrons emitted by the cathode and accelerated by an electric field towards an anode are excessively slowed down by the collisions with residual gas.
- Such a generator is notably described in an article by J.J.ROCCA, J.D. MEYER, M.R. FARREL, G.J. COLLINS, J. APPL. Phys. 56, 790 (1984).
- the slowing down of the electrons by collisions with the ambient gas is made unimportant by the use of a sufficiently high acceleration voltage (for example 8 KV and more) and associated with a sufficiently low pressure that a significant fraction of the electrons emitted by the cathode acquire, before meeting a molecule of the ambient gas, sufficient energy for the cross section of collision to be greatly reduced.
- a sufficiently high acceleration voltage for example 8 KV and more
- this cross section represents the probability of collision with these molecules.
- Such electrons are known by the international designation "runaway electrons” and will hereinafter be called shooting electrons.
- the low probability of their slowing down by collisions allows them to acquire, in their journey from the cathode to the anode, an energy which is a majority fraction of that which would be supplied to them in a vacuum by the accelerating field.
- the object of the present invention is to make it possible to produce energetic electrons in a simpler and economical manner with very high at least instantaneous current densities and a production yield close to that obtained in secondary vacuum.
- the generator according to the present invention has a number of arrangements which are known in themselves by the Collins generator. According to these provisions it includes: - a speaker, an ambient gas present in this enclosure under an ambient pressure greater than approximately 5 Pascal to allow easy production of said generator and less than approximately 100 Pascal to allow the production of said energetic electrons, - an anode in this enclosure, a cathode situated in this enclosure opposite said anode and comprising emission means for emitting electrons, dielectric support means for holding this anode and this cathode by forming a sufficiently long bypass length to avoid any surface arc, - And a source of electric current to apply an accelerator field suitable for causing electrons to emit by said cathode and for accelerating them towards said anode through said ambient gas, the ratio of said accelerator field to said ambient pressure being chosen large enough to create a diffuse discharge in which the electrons emitted by said cathode acquire in the majority first enough energy to significantly decrease their cross-section of collision with the molecules of said ambient gas so that they then acquire on average more energy between two
- the generator according to the present invention is characterized in that said emission means have the form of an emission plate made up of carbon fibers interlaced with a preferred orientation in a directed emission direction. towards said anode.
- this emission plate has two opposite main faces, a length and a width respectively in a longitudinal direction and said emission direction both parallel to these main faces, this plate further having a thickness in a transverse direction perpendicular to these main faces, said emission plate further having an emission face which is opposite said anode and which intersects said direction of emission, said emission face having a length and a width constituted respectively by said length and thickness of this plate, said carbon fibers being arranged at least locally with an orientation which favors said direction of emission at least with respect to said transverse direction so that the surface density of free ends of these fibers is greater on said emission face than on said main faces, - Said cathode further comprising an emission plate support recessed with respect to said emission face, this support being in contact with a retaining strip which is formed by part of the width of said emission plate at a distance from said emission face to allow this emission plate to be held by means of this holding strip, the remaining part of the width of said emission plate up to said emission face constituting a band exposed, this support being electrically
- an orientation ratio of said emission plate is defined as being the ratio of the surface densities of free ends of said carbon fibers in said emission face and in said main face, this support is support is greater than two and, preferably still, ten.
- Said emission plate consists of a carbon felt carded in said direction of emission and moderately needled to give it cohesion while showing only a moderate number of free fiber ends in said main faces this number preferably being very small.
- the fibers of this felt have a diameter between 1 and 100 micrometers, and preferably between 4 and 20 micrometers, and a resistivity between 3.103 and 4.10 ⁇ 3 Ohm x cm.
- - Said exposed strip has a width between 1 and 10 mm, said ambient pressure being between 10 and 50 Pa, said accelerating field being between 5.105 and 20. 105 V / cm, the distance from said emission face to said anode being greater than 2 mm.
- - Said ambient gas is helium.
- - Said anode is a block of heavy metal and said source of electric current is a source of electric pulse so as to constitute an impulse gun with X-rays.
- FIG. 1 said enclosure is shown in 2. It consists of polymethyl methacrylate. Said ambient gas in this enclosure is helium and its said ambient pressure is 20 Pa.
- Said longitudinal direction is perpendicular to the plane of FIG. 1. It is represented in DL in FIG. 3.
- Said anode is represented at 4. It is constituted by a tantalum block and it has a useful face 6. This face is inclined at 45 degrees to receive electrons 12 and emit in response X-rays 14 through a window 8 formed by a thinned part of the wall of the enclosure 2. The thickness of this window is 2mm.
- Said direction of emission DE is perpendicular to this useful face and said transverse direction DT is parallel to it.
- Said cathode is shown at 10. It comprises said metal support 16 and said emission plate 18 which are shown in more detail in FIGS. 2 and 3.
- the anode 4, the window 8 and the cathode 6 extend in said longitudinal direction over a length of 150 mm.
- the anode 4 has, in said transverse direction, a width of 10 mm.
- the interval between it and the cathode 10 is 4 to 6 mm.
- Said electric current source is a Marx generator 20 which applies to anode 4 a pulse of 60 kV for 20 ns with a peak intensity of 1.2 kA, via a conductor 22, cathode 10 being grounded.
- the emission plate 18 is held in the support 16 by means of two blades thin stainless steel such as 26 which are arranged on the two said main faces such as 28 of the emission plate 18.
- These blades cover only part of the width of these faces, this width being measured according to the direction of emission DE.
- This part constitutes said retaining strip 30 below a dashed line 32 in FIG. 3, the part 34 located above constituting said exposed strip.
- the free edge of the latter constitutes said emission face 36 opposite the anode 4.
- This face will be considered below as an upper face of the emission plate 18.
- a lower part of the width of the two blades such that 26 with the emission plate 18, interposed, is arranged in a longitudinal groove hollowed out in the top of the support 16 to maintain the assembly formed by the emission plate 18 and these two blades.
- a screw 38 presses on one of these two blades in said transverse direction to clamp the emission plate 18 between these two blades in said retaining strip.
- This plate 18 being deformable takes a reduced thickness in this strip.
- its thickness that is to say the width of the emission face 36, is 2mm, the width of this strip being 4mm.
- the emission plate 18 is rounded at 40 at its two longitudinal ends, as shown in FIG. 3 to avoid local reinforcement of the electric field and of the emission of electrons.
- the emission plate 18 is made of a carbon felt of the type sold for example by the French company LE CARBONE LORRAINE under the reference RVG 1000, for example to constitute thermally insulating layers for vacuum ovens.
- This felt is obtained by carding rayon fibers, then moderate needling, then carbonization at a temperature high enough to ensure a substantial partial transformation of carbon into graphite.
- the diameters of the fibers of this felt range from 5 to 12 micrometers with a majority around 7 to 8 micrometers. Their resistivity is 3.5.10 ⁇ 3 Ohm x cm. Said orientation report is 20 or more.
- said carbon fibers can also be used in the form of a fabric.
- the generator according to the invention provided an electronic intensity of 300 A / cm2 and a production yield reaching 80% of that obtained in a secondary vacuum.
Abstract
Un générateur de rayons X comporte une anode (4) et une cathode (10) disposées dans une enceinte (2) sous basse pression d'hélium et alimentées par un générateur d'impulsions électriques (20) fournissant une tension suffisante pour faire apparaître des électrons filants. La face d'émission (36) de la cathode (10) est une section d'une plaque d'émission (18) constituée d'un feutre de carbone dont les fibres ont une orientation privilégiée perpendiculairement à cette face (36) pour favoriser l'émission d'électrons par cette face.An X-ray generator comprises an anode (4) and a cathode (10) arranged in an enclosure (2) under low helium pressure and supplied by an electric pulse generator (20) supplying a sufficient voltage to make appear shooting electrons. The emission face (36) of the cathode (10) is a section of an emission plate (18) made of a carbon felt whose fibers have a preferred orientation perpendicular to this face (36) to favor the emission of electrons by this face.
L'invention s'applique notamment à la préionisation de la chambre à décharge d'un laser à gaz. 
Description
La présente invention concerne la production d'un faisceau d'électrons énergétiques. On entend par là des électrons ayant une énergie comprise entre 1 et 100 keV, environ. Il est en général souhaité par les utilisateurs de tels faisceaux que cette production soit économique, et que la densité de courant et l'intensité totale des faisceaux produits soient grandes.The present invention relates to the production of a beam of energetic electrons. By this is meant electrons having an energy between 1 and 100 keV, approximately. It is generally desired by the users of such beams that this production be economical, and that the current density and the total intensity of the beams produced are large.
Tel est notamment le cas lorsque le faisceau d'électrons produit est impulsionnel et destiné à frapper une cible, par exemple de tantale, pour engendrer un faisceau de rayons X, ce dernier faisceau étant destiné à préioniser une chambre à décharge d'un laser à gaz impulsionnel. On sait en effet que dans un tel laser le pompage d'un milieu d'amplification optique gazeux est réalisé par une décharge électrique dont l'homogénéité est souvent obtenue grâce à une préionisation de ce milieu par un faisceau impulsionnel de rayons X. L'énergie de ces derniers doit alors être suffisante pour qu'ils pénétrent sans pertes sensibles dans la chambre à décharge à travers une fenêtre étanche et résistante. Et leur intensité doit être suffisante pour assurer une préionisation efficace, ceci dans un court laps de temps, par exemple 20ns. Le faisceau d'électrons doit pour cela présenter une densité de courant élevée, par exemple 400 A/cm².This is particularly the case when the electron beam produced is impulse and intended to strike a target, for example of tantalum, to generate an X-ray beam, this latter beam being intended to pre-ionize a discharge chamber of a laser at impulse gas. It is known in fact that in such a laser, the pumping of a gaseous optical amplification medium is carried out by an electric discharge, the homogeneity of which is often obtained by preionization of this medium by an impulse beam of X-rays. The energy of the latter must then be sufficient for them to enter the discharge chamber without appreciable losses through a sealed and resistant window. And their intensity must be sufficient to ensure effective preionization, this in a short period of time, for example 20ns. The electron beam must therefore have a high current density, for example 400 A / cm².
Les générateurs d'électrons énergétiques connus les plus utilisés dans une telle application sont des canons impulsionnels à cathode froide. Ils fonctionnent généralement dans un vide poussé dit vide secondaire par exemple 10⁻³ ou 10⁻⁴ Pa, de manière à éviter que les électrons émis par la cathode et accélérés par un champ électrique en direction d'une anode ne soient excessivement ralentis par les collisions avec le gaz résiduel.The known energetic electron generators most used in such an application are impulse guns with cold cathode. They generally operate in a high vacuum called secondary vacuum for example 10⁻³ or 10⁻⁴ Pa, so as to avoid that the electrons emitted by the cathode and accelerated by an electric field towards an anode are excessively slowed down by the collisions with residual gas.
La nécessité de maintenir un tel vide élève le coût de la fabrication et de la maintenance d'un tel générateur ainsi que son encombrement.The need to maintain such a vacuum increases the cost of manufacturing and maintaining such a generator as well as its size.
C'est pourquoi on a proposé des générateurs d'électrons fonctionnant avec une pression ambiante basse mais facile à obtenir et à maintenir. Les études de l'équipe de COLLINS à l'université de l'état du COLORADO ont porté sur des canons continus à cathode d'alumine ou de carbone, qui ont permis d'obtenir des électrons de 5 keV avec un courant de 1 A. Les cathodes sont plates ou concaves et la distance cathode-anode n'est pas critique au-delà de l'espace noir cathodique. Le rendement atteindrait 50%. Le gaz ambiant est de l'hélium et sa pression est située entre 10 et 100 Pa environ.This is why we have proposed electron generators operating with a low ambient pressure but easy to obtain and maintain. COLLINS team studies at the University of the state of COLORADO focused on continuous cannons with an alumina or carbon cathode, which made it possible to obtain electrons of 5 keV with a current of 1 A. The cathodes are flat or concave and the distance cathode-anode is not critical beyond the cathodic black space. The yield would reach 50%. The ambient gas is helium and its pressure is between 10 and 100 Pa approximately.
Un tel générateur est notamment décrit dans un article de J.J.ROCCA, J.D. MEYER, M.R. FARREL, G.J. COLLINS, J. APPL. Phys. 56, 790 (1984).Such a generator is notably described in an article by J.J.ROCCA, J.D. MEYER, M.R. FARREL, G.J. COLLINS, J. APPL. Phys. 56, 790 (1984).
Il sera appelé ci-après le générateur de Collins.Hereafter, it will be called the Collins generator.
D'autres canons à électrons fonctionnant dans de l'hélium à basse pression ont été décrits dans divers articles notamment les suivants :
C.H.H. CARMICHAEL, R.K. GARNSWORTHY, L.E.S. MATHIAS, Re. Sci. Instrum. 44,701 (1973).
P.A. BOKLAN and G.V. KOLBYCHEV,
Sov. Phys. Tech. Phys. 26, 1057 (1981)
G.V. KOLBYCHEV and I.V. PLASHNIK,
Sov. Tech. Phys. Lett. 11, 458 (1985).Other electron guns operating in helium at low pressure have been described in various articles including the following:
CHH CARMICHAEL, RK GARNSWORTHY, LES MATHIAS, Re. Sci. Instrum. 44.701 (1973).
PA BOKLAN and GV KOLBYCHEV,
Sov. Phys. Tech. Phys. 26, 1057 (1981)
GV KOLBYCHEV and IV PLASHNIK,
Sov. Tech. Phys. Lett. 11, 458 (1985).
Ils apparaissent moins avantageux que le générateur de Collins.They appear less advantageous than the Collins generator.
Dans ce dernier générateur le ralentissement des électrons par les collisions avec le gaz ambiant est rendu peu important par l'utilisation d'une tension d'accélération suffisamment haute (par exemple 8 KV et plus) et associée à une pression suffisamment basse pour qu'une fraction importante des électrons émis par la cathode acquierent, avant de rencontrer une molécule du gaz ambiant, une énergie suffisante pour que la section efficace de collision, soit fortement diminuée. On sait que cette section efficace représente la probabilité de collision avec ces molécules.In this latter generator, the slowing down of the electrons by collisions with the ambient gas is made unimportant by the use of a sufficiently high acceleration voltage (for example 8 KV and more) and associated with a sufficiently low pressure that a significant fraction of the electrons emitted by the cathode acquire, before meeting a molecule of the ambient gas, sufficient energy for the cross section of collision to be greatly reduced. We know that this cross section represents the probability of collision with these molecules.
De tels électrons sont connus sous l'appelation internationale "runaway electrons" et seront appelés ci-après électrons filants. La faible probalité de leur ralentissement par collisions leur permet d'acquerir, dans leur parcours de la cathode à l'anode, une énergie qui est une fraction majoritaire de celle qui leur serait fournie dans le vide par le champ accélérateur.Such electrons are known by the international designation "runaway electrons" and will hereinafter be called shooting electrons. The low probability of their slowing down by collisions allows them to acquire, in their journey from the cathode to the anode, an energy which is a majority fraction of that which would be supplied to them in a vacuum by the accelerating field.
Malheureusement les haute tension et faible pression utilisées favorisent les décharges entre les supports de la cathode et de l'anode, ce qui empêche l'obtention d'une décharge diffuse stable à haute densité de courant dans l'intervalle cathode-anode. Il est donc nécessaire de prévoir des revêtements d'isolement électrique sur les supports de la cathode et de l'anode, ce qui complique la réalisation du générateur.Unfortunately, the high voltage and low pressure used favor the discharges between the supports of the cathode and the anode, which prevents obtaining a stable diffuse discharge at high current density in the cathode-anode interval. It is therefore necessary to provide electrical insulation coatings on the supports of the cathode and the anode, which complicates the production of the generator.
La présente invention a pour but de permettre de produire des électrons énergétiques d'une manière plus simple et économique avec des densités de courant au moins instantanées très élevées et un rendement de production proche de celui obtenu en vide secondaire.The object of the present invention is to make it possible to produce energetic electrons in a simpler and economical manner with very high at least instantaneous current densities and a production yield close to that obtained in secondary vacuum.
Le générateur selon la présente invention présente un certain nombre de dispositions qui sont connues en elles mêmes par le générateur de Collins. Selon ces dispositions il comporte :
- une enceinte,
- un gaz ambiant présent dans cette enceinte sous une pression ambiante supérieure à 5 Pascal environ pour permettre une réalisation facile dudit générateur et inférieure à 100 Pascal environ pour permettre la production desdits électrons énergétiques,
- une anode dans cette enceinte,
- une cathode située dans cette enceinte en regard de ladite anode et comportant des moyens d'émission pour émettre des électrons,
- des moyens de support diélectriques pour maintenir cette anode et cette cathode en formant une longueur de contournement suffisamment grande pour éviter tout arc de surface,
- et une source de courant électrique pour appliquer un champ accélérateur propre à faire émettre des électrons par ladite cathode et à les accélérer en direction de ladite anode à travers ledit gaz ambiant, le rapport dudit champ accélérateur à ladite pression ambiante étant choisi suffisamment grand pour créer une décharge diffuse dans laquelle les électrons émis par ladite cathode acquièrent en majorité d'abord une énergie suffisante pour diminuer sensiblement leur section efficace de collision avec les molécules dudit gaz ambiant de sorte qu'ils acquièrent ensuite en moyenne plus d'énergie entre deux collisions qu'ils n'en perdent lors de chaque collision et qu'ils deviennent alors des électrons filants possédant suffisamment d'énergie pour constituer lesdits électrons énergétiques.The generator according to the present invention has a number of arrangements which are known in themselves by the Collins generator. According to these provisions it includes:
- a speaker,
an ambient gas present in this enclosure under an ambient pressure greater than approximately 5 Pascal to allow easy production of said generator and less than approximately 100 Pascal to allow the production of said energetic electrons,
- an anode in this enclosure,
a cathode situated in this enclosure opposite said anode and comprising emission means for emitting electrons,
dielectric support means for holding this anode and this cathode by forming a sufficiently long bypass length to avoid any surface arc,
- And a source of electric current to apply an accelerator field suitable for causing electrons to emit by said cathode and for accelerating them towards said anode through said ambient gas, the ratio of said accelerator field to said ambient pressure being chosen large enough to create a diffuse discharge in which the electrons emitted by said cathode acquire in the majority first enough energy to significantly decrease their cross-section of collision with the molecules of said ambient gas so that they then acquire on average more energy between two collisions they lose in each collision and that they then become spinning electrons having enough energy to constitute said energetic electrons.
Par rapport au générateur de Collins le générateur selon la présente invention est caractérisé par le fait que lesdits moyens d'émission présentent la forme d'une plaque d'émission constituée de fibres de carbone entrelacées avec une orientation privilégiée selon une direction d'émission dirigée vers ladite anode.Compared to the Collins generator, the generator according to the present invention is characterized in that said emission means have the form of an emission plate made up of carbon fibers interlaced with a preferred orientation in a directed emission direction. towards said anode.
Plus précisément cette plaque d'émission présente deux faces principales opposées, une longueur et une largeur selon respectivement une direction longitudinale et ladite direction d'émission toutes deux parallèles à ces faces principales, cette plaque présentant en outre une épaisseur selon une direction transversale perpendiculaire à ces faces principales, ladite plaque d'émission présentant en outre une face d'émission qui est en regard de ladite anode et qui coupe ladite direction d'émission, ladite face d'émission ayant une longueur et une largeur constituées respectivement par lesdites longueur et épaisseur de cette plaque, lesdites fibres de carbone étant disposées au moins localement avec une orientation qui privilégie ladite direction d'émission au moins par rapport à ladite direction transversale de manière que la densité superficielle d'extrémités libres de ces fibres soit plus grande sur ladite face d'émission que sur lesdites faces principales,
- ladite cathode comportant en outre un support de plaque d'émission en retrait par rapport à ladite face d'émission, ce support étant au contact d'une bande de maintien que est constituée par une partie de la largeur de ladite plaque d'émission à distance de ladite face d'émission pour permettre de maintenir cette plaque d'émission par l'intermédiaire de cette bande de maintien, la partie restante de la largeur de ladite plaque d'émission jusqu'à ladite face d'émission constituant une bande exposée, ce support étant électriquement conducteur et étant connecté à ladite source de courant électrique pour alimenter électriquement lesdites fibres de carbone à partir de ladite bande de maintien.More precisely, this emission plate has two opposite main faces, a length and a width respectively in a longitudinal direction and said emission direction both parallel to these main faces, this plate further having a thickness in a transverse direction perpendicular to these main faces, said emission plate further having an emission face which is opposite said anode and which intersects said direction of emission, said emission face having a length and a width constituted respectively by said length and thickness of this plate, said carbon fibers being arranged at least locally with an orientation which favors said direction of emission at least with respect to said transverse direction so that the surface density of free ends of these fibers is greater on said emission face than on said main faces,
- Said cathode further comprising an emission plate support recessed with respect to said emission face, this support being in contact with a retaining strip which is formed by part of the width of said emission plate at a distance from said emission face to allow this emission plate to be held by means of this holding strip, the remaining part of the width of said emission plate up to said emission face constituting a band exposed, this support being electrically conductive and being connected to said source of electric current for electrically supplying said carbon fibers from said retaining strip.
De ces dispositions adoptées selon la présente invention il résulte qu'une grande densité superficielle des extrémités de fibres dans la face d'émission favorise l'émission d'électrons par cette face alors qu'une petite densité de telles extrémités dans les faces principales contribue à éviter une telle émission par ces faces dans ladite bande exposée. Quant au support de plaque d'émission, sa position en retrait par rapport à ladite surface d'émission, évite l'émission d'électrons à partir de la surface de ce support. Par ailleurs la résistance électrique des fibres de carbone homogénéise l'émission d'électrons sur la surface de ladite face d'émission.From these arrangements adopted according to the present invention it follows that a high surface density of the ends of fibers in the emission face promotes the emission of electrons from this face while a small density of such ends in the main faces contributes to avoiding such emission by these faces in said exposed strip. As for the emission plate support, its recessed position relative to said emission surface, prevents the emission of electrons from the surface of this support. Furthermore, the electrical resistance of the carbon fibers homogenizes the emission of electrons on the surface of said emission face.
Selon la présente invention on peut adopter en outre les dispositions parfois préférées suivantes :
- Si on définit un rapport d'orientation de ladite plaque d'émission comme étant le rapport des densités superficielles d'extrémités libres desdites fibres de carbone dans ladite face d'émission et dans lesdites face principales, ce support est support est supérieur à deux et, et préférence encore, à dix.
- Ladite plaque d'émission est constituée par un feutre de carbone cardé selon ladite direction d'émission et modérément aiguilleté pour lui donner une cohésion tout en ne faisant apparaître qu'un nombre modéré d'extrémités libres de fibres dans lesdites faces principales ce nombre étant de préférence très petit.According to the present invention, the following sometimes preferred arrangements can also be adopted:
- If an orientation ratio of said emission plate is defined as being the ratio of the surface densities of free ends of said carbon fibers in said emission face and in said main face, this support is support is greater than two and, preferably still, ten.
- Said emission plate consists of a carbon felt carded in said direction of emission and moderately needled to give it cohesion while showing only a moderate number of free fiber ends in said main faces this number preferably being very small.
Les fibres de ce feutre présentent un diamètre compris entre 1 et 100 micromètres, et de préférence entre 4 et 20 micromètres, et une résistivité comprise entre 3.10³ et 4.10⁻³ Ohm x cm.The fibers of this felt have a diameter between 1 and 100 micrometers, and preferably between 4 and 20 micrometers, and a resistivity between 3.10³ and 4.10⁻³ Ohm x cm.
(Il est a remarquer que des plaques d'émission en feutre de carbone ont déjà été utilisée pour constituer la face d'émission de la cathode d'un canon à électrons. Une telle utilisation est notamment décrite dans un article de G.F. Erickson and P.N. Mace, Rev Sci. Instrum, 54,585/1183)/ Mais il s'agissait d'un canon fonctionnant dans le vide et non avec des électrons filants dans un gaz. Or, les matériaux convenant pour un fonctionnement sous une pression faible (permettant la production d'électrons filants) ne sont généralement pas les mêmes que ceux qui conviennent pour un fonctionnement sous un vide secondaire. Plus précisément, des essais sous pression modérée avec des matériaux souvent utilisés tels que l'acier, l'acier inoxydable, l'aluminium et le tantale n'ont pas permis d'obtenir une décharge et des électrons énergétique alors que sous vide secondaire ces matériaux donnent de bons résultats.(It should be noted that carbon felt emission plates have already been used to constitute the emission face of the cathode of an electron gun. Such use is notably described in an article by GF Erickson and PN Mace, Rev Sci. Instrum, 54,585 / 1183) / But it was a cannon operating in a vacuum and not with electrons spinning in a gas. However, the materials suitable for operation under low pressure (allowing the production of spinning electrons) are generally not the same as those suitable for operation under a secondary vacuum. More specifically, pressure testing moderate with often used materials such as steel, stainless steel, aluminum and tantalum did not allow to obtain a discharge and energetic electrons while under secondary vacuum these materials give good results.
On peut par ailleurs noter que les conditions de décharge à faible pression (inférieure à 100 Bar) ne sont pas favorables a priori pour faire un canon à électrons car dans le cas d'une cathode classique (lame de rasoir en acier par exemple) il n'y a pas d'émission par effet de champ entre la lame et l'anode (cas du vide seconde) mais des arcs sur de grandes longueurs (1) (devant la distance anode cathode, par ex. 5 mm) entre le support de la cathode et l'anode ceci apparaissant notamment d'un article de James Dillon Cobine-Gaseous conductors (Dovers Publ.Inc.N.Y.) p.164. Dans ce cas le canon ne peut fonctionner)
- Ladite bande exposée a une largeur comprise entre 1 et 10 mm, ladite pression ambiante étant comprise entre 10 et 50 Pa, ledit champ accélérateur étant compris entre 5.10⁵ et 20. 10⁵ V/cm, la distance de ladite face d'émission à ladite anode étant supérieure à 2 mm.
- Ledit gaz ambiant est de l'hélium.
- Ladite anode est un bloc de métal lourd et ladite source de courant électrique est une source d'impulsion électrique de manière à constituer un canon impulsionnel à rayons X.We can also note that the discharge conditions at low pressure (less than 100 Bar) are not favorable a priori to make an electron gun because in the case of a conventional cathode (steel razor blade for example) it there is no emission by field effect between the plate and the anode (case of the second vacuum) but arcs over long lengths (1) (in front of the anode cathode distance, eg 5 mm) between the support of the cathode and the anode this appearing in particular from an article by James Dillon Cobine-Gaseous conductors (Dovers Publ.Inc.NY) p.164. In this case the barrel cannot work)
- Said exposed strip has a width between 1 and 10 mm, said ambient pressure being between 10 and 50 Pa, said accelerating field being between 5.10⁵ and 20. 10⁵ V / cm, the distance from said emission face to said anode being greater than 2 mm.
- Said ambient gas is helium.
- Said anode is a block of heavy metal and said source of electric current is a source of electric pulse so as to constitute an impulse gun with X-rays.
A l'aide des figures schématiques, ci-jointes, on va décrire plus particulièrement ci-après, à titre d'exemple non limitatif, comment la présente invention peut être mise en oeuvre dans le cadre de l'exposé qui en a été donné ci-dessus. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence. Le mode de mise en oeuvre donné en exemple comporte les dispositions parfois préférées mentionnées ci-dessus. Il doit être compris que les éléments mentionnés peuvent être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques.
- La figure 1 représente une vue en coupe d'un générateur selon l'invention.
- La figure 2 représente une vue à échelle agrandie d'un détail II de la figure 1.
- La figure 3 représente une vue de face à échelle agrandie de la plaque d'émission du générateur de la figure 1.
- Figure 1 shows a sectional view of a generator according to the invention.
- FIG. 2 represents an enlarged view of a detail II of FIG. 1.
- FIG. 3 represents a front view on an enlarged scale of the emission plate of the generator of FIG. 1.
Sur la figure 1 ladite enceinte est représentée en 2. Elle est constituée de polyméthacrylate de methyle. Ledit gaz ambiant dans cette enceinte est de l'hélium et sa dite pression ambiante est de 20 Pa.In Figure 1 said enclosure is shown in 2. It consists of polymethyl methacrylate. Said ambient gas in this enclosure is helium and its said ambient pressure is 20 Pa.
Ladite direction longitudinale est perpendiculaire au plan de la figure 1. Elle est représentée en DL sur la figure 3.Said longitudinal direction is perpendicular to the plane of FIG. 1. It is represented in DL in FIG. 3.
Ladite anode est représentée en 4. Elle est constituée par un bloc de tantale et elle présente une face utile 6. Cette face est inclinée à 45 degrés pour recevoir des électrons 12 et émettre en réponse des rayons X 14 à travers une fenêtre 8 formée par une partie amincie de la paroi de l'enceinte 2. L'épaisseur de cette fenêtre est de 2mm.Said anode is represented at 4. It is constituted by a tantalum block and it has a
Ladite direction d'émission DE est perpendiculaire à cette face utile et ladite direction transversale DT lui est parallèle.Said direction of emission DE is perpendicular to this useful face and said transverse direction DT is parallel to it.
Ladite cathode est représentée en 10. Elle comporte ledit support métallique 16 et ladite plaque d'émission 18 qui sont représentés plus en détail sur les figures 2 et 3.Said cathode is shown at 10. It comprises said
L'anode 4, la fenêtre 8 et la cathode 6 s'étendent selon ladite direction longitudinale sur une longueur de 150 mm.The
L'anode 4 a, selon ladite direction transversale, une largeur de 10 mm. L'intervalle entre elle et la cathode 10 est de 4 à 6 mm.The
Ladite source de courant électrique est un générateur de Marx 20 qui applique à l'anode 4 une impulsion de 60 kV durant 20 ns avec une intensité de crête de 1,2 kA, par l'intermédiaire d'un conducteur 22, la cathode 10 étant à la masse.Said electric current source is a
Conformément aux figures 2 et 3 la plaque d'émission 18 est maintenue dans le support 16 par l'intermédiaire de deux lames minces d'acier inoxydable telles que 26 qui sont disposés sur les deux dites faces principales telles que 28 de la plaque d'émission 18.In accordance with Figures 2 and 3 the
Ces lames recouvrent une partie seulement de la largeur de ces faces, cette largeur étant mesurée selon la direction d'émission DE. Cette partie constitue ladite bande de maintien 30 au dessous d'une ligne tiretée 32 sur la figure 3, la partie 34 située au dessus constituant ladite bande exposée. Le bord libre de cette dernière constitue ladite face d'émission 36 en regard de l'anode 4. Cette face sera considérée ci-après comme une face supérieure de la plaque d'émission 18. Une partie inférieure de la largeur des deux lames telles que 26 avec la plaque d'émission 18, interposée, est disposée dans une rainure longitudinale creusée dans le sommet du suppport 16 pour maintenir l'ensemble constitué par la plaque d'amission 18 et ces deux lames.These blades cover only part of the width of these faces, this width being measured according to the direction of emission DE. This part constitutes said retaining
Une vis 38 appuie sur l'une de ces deux lames selon ladite direction transversale pour serrer la plaque d'émission 18 entre ces deux lames dans ladite bande de maintien. Cette plaque 18 étant déformable prend une épaisseur diminuée dans cette bande. Dans la bande exposée 34 son épaisseur, c'est-à-dire la largeur de la face d'émission 36, est de 2mm, la largeur de cette bande étant de 4mm.A
La plaque d'émission 18 est arrondie en 40 à ses deux extrémités longitudinales, comme représenté sur la figure 3 pour éviter un renforcement local du champ électrique et de l'émission d'électrons.The
La plaque d'émission 18 est faite d'un feutre de carbone du type vendu par exemple par la Société Française LE CARBONE LORRAINE sous la référence RVG 1000, par exemple pour constituer des couches thermiquement isolantes pour des fours sous vide. Ce feutre est obtenu par cardage de fibres de rayonne, puis aiguilletage modéré, puis carbonisation à une température suffisamment élevée pour assurer une transformation partielle sensible du carbone en graphite.The
Les diamètres des fibres de ce feutre vont de 5 à 12 micromètres avec une majorité aux environs de 7 à 8 micromètres. Leur résistivité est de 3,5.10⁻³ Ohm x cm. Ledit rapport d'orientation est de 20 ou plus.The diameters of the fibers of this felt range from 5 to 12 micrometers with a majority around 7 to 8 micrometers. Their resistivity is 3.5.10⁻³ Ohm x cm. Said orientation report is 20 or more.
Bien entendu lesdites fibres de carbone peuvent aussi être utilisées sous la forme d'un tissu.Of course, said carbon fibers can also be used in the form of a fabric.
Le générateur selon l'invention a fourni une intensité électronique de 300 A/cm² et un rendement de production atteignant 80% de celui qui est obtenu dans un vide secondaire.The generator according to the invention provided an electronic intensity of 300 A / cm² and a production yield reaching 80% of that obtained in a secondary vacuum.
Claims (9)
- une enceinte (2),
- un gaz ambiant présent dans cette enceinte sous une pression ambiante supérieure à 5 Pascal environ pour permettre une réalisation facile dudit générateur et inférieure à 100 Pascal environ pour permettre la production desdits électrons énergétiques,
- une anode (4) dans cette enceinte,
- une cathode (10) située dans cette enceinte en regard de ladite anode et comportant des moyens d'émission pour émettre des électrons,
- des moyens de support diélectriques pour maintenir cette anode et cette cathode en formant une longueur de contournement suffisamment grande pour éviter tout arc de surface,
- et une source de courant électrique (20) pour appliquer un champ accélérateur propre à faire émettre des électrons par ladite cathode et à les accélérer en direction de ladite anode à travers ledit gaz ambiant, le rapport dudit champ accélérateur à ladite pression ambiante étant choisi suffisamment grand pour créer une décharge diffuse dans laquelle les électrons émis par ladite cathode acquièrent en majorité d'abord une énergie suffisante pour diminuer sensiblement leur section efficace de collision avec les molécules dudit gaz ambiant de sorte qu'ils acquièrent ensuite en moyenne plus d'énergie entre deux collisions qu'ils n'en perdent lors de chaque collision et qu'ils deviennent alors des électrons filants possédant suffisamment d'énergie pour constituer lesdits électrons énergétiques,
- ce générateur étant caractérisé par le fait que lesdits moyens d'émission présentent la forme d'une plaque d'émission (18) constituée de fibres de carbone entrelacées avec une orientation privilégiée selon une direction d'émission dirigée vers ladite anode.1 / Generator of energetic electrons in a gas, this generator comprising
- an enclosure (2),
an ambient gas present in this enclosure under an ambient pressure greater than approximately 5 Pascal to allow easy production of said generator and less than approximately 100 Pascal to allow the production of said energetic electrons,
- an anode (4) in this enclosure,
- a cathode (10) located in this enclosure opposite said anode and comprising emission means for emitting electrons,
- dielectric support means to maintain this anode and this cathode by forming a sufficiently long bypass length to avoid any surface arc,
- And a source of electric current (20) for applying an accelerator field suitable for causing electrons to emit by said cathode and for accelerating them towards said anode through said ambient gas, the ratio of said accelerator field to said ambient pressure being chosen large enough to create a diffuse discharge in which the electrons emitted by said cathode acquire the majority of energy first enough to significantly decrease their cross section of collision with the molecules of said ambient gas so that they then acquire on average more energy between two collisions that they lose during each collision and that they then become shooting electrons having enough energy to constitute said energetic electrons,
- This generator being characterized in that said emission means have the form of an emission plate (18) made of carbon fibers intertwined with a preferred orientation in a direction of emission directed towards said anode.
- ladite cathode comportant en outre un support de plaque d'émission (16) en retrait par rapport à ladite face d'émission, ce support étant au contact d'une bande de maintien (30) qui est constituée par une partie de la largeur de ladite plaque d'émission (18) à distance de ladite face d'émission pour permettre de maintenir cette plaque d'émission par l'intermédiaire de cette bande de maintien, la partie restante de la largeur de ladite plaque d'émission jusqu'à ladite face d'émission constituant une bande exposée (34), ce support étant électriquement conducteur et étant connecté à ladite source de courant électrique (20) pour alimenter électriquement lesdites fibres de carbone à partir de ladite bande de maintien (30), de manière qu'une grande densité superficielle desdites extrémités de fibres de carbone dans ladite face d'émission favorise l'émission d'électrons par cette face alors qu'une petite densité de telles extrémités dans desdites faces principales de ladite plaque d'émission contribue à éviter une telle émission par ces faces dans ladite bande exposée, de manière encore que la position dudit support de plaque d'émission en retrait par rapport à ladite surface d'émission évite l'émission d'électrons à partir de la surface de ce support, et de manière enfin que la résistance électrique desdites fibres de carbone homogénéise l'émission d'électrons sur la surface de ladite face d'émission.2 / generator according to claim 1 characterized in that said emission plate has two opposite main faces (28), a length and a width respectively in a longitudinal direction (DL) and said emission direction (DE) both parallel to these main faces, this plate having in in addition to a thickness in a transverse direction (DT) perpendicular to these main faces, said emission plate further having an emission face which is opposite said anode and which intersects said emission direction, said emission face having a length and a width respectively constituted by said length and thickness of this plate, said carbon fibers being arranged at least locally with an orientation which favors said direction of emission at least with respect to said transverse direction so that the surface density of free ends of these fibers is greater on said emission face (36) than on said main faces (28),
- Said cathode further comprising an emission plate support (16) set back relative to said emission face, this support being in contact with a retaining strip (30) which is formed by part of the width from said emission plate (18) at a distance from said emission face to allow this emission plate to be held by means of this retaining strip, the remaining part of the width of said emission plate up to to said emission face constituting an exposed strip (34), this support being electrically conductive and being connected to said source of electric current (20) for electrically supplying said carbon fibers from said retaining strip (30), so that a high surface density of said ends of carbon fibers in said emission face promotes the emission of electrons from this face while a low density of such ends in said main faces of said emission plate n contributes to avoiding such an emission by these faces in said exposed strip, so that the position of said recessed emission plate support relative to said emission surface prevents the emission of electrons from the surface of this support, and finally so that the electrical resistance of said carbon fibers homogenizes the emission of electrons on the surface of said emission face.
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Also Published As
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