FR2482404A1 - Tube accelerateur source de neutrons a section cible perfectionnee - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN TUBE ACCELERATEUR DE NEUTRONS POSSEDANT UNE SECTION CIBLE PERFECTIONNEE. LE TUBE COMPREND UNE SECTION DE REMPLISSAGE PRODUISANT UN GAZ ACCELERATEUR, UNE SECTION D'IONISATION ET UNE SECTION CIBLE. CETTE DERNIERE COMPORTE UNE CHAMBRE 48, UNE CIBLE 51 DONT LA SURFACE 52 TOURNEE VERS LA SECTION D'IONISATION EST FORMEE D'UN MATERIAU PRODUISANT DES NEUTRONS A L'IMPACT D'IONS DU GAZ ACCELERATEUR, UNE CATHODE 24 PRESENTANT UNE SURFACE CONVERGENTE EVIDEE 58 ET UNE OUVERTURE 40, ET UNE ELECTRODE D'EXTRACTION 60 PRESENTANT UNE SURFACE SAILLANTE DIVERGENTE 63 ET UNE OUVERTURE 62. LE TUBE ACCELERATEUR EST NOTAMMENT DESTINE A ETRE UTILISE DANS UN INSTRUMENT DE DIAGRAPHIE DE PUITS DE PETROLE.
Description
La présente invention concerne les sources de neutrons
et, plus précisément, les sources à tube de neutrons du type accé-
lérateur possédant une section d'ionisation perfectionnée.
Les sources à tube de neutrons du type accélérateur sont utilisées dans de nombreuses applications. Une application bien connue est la diagraphie nucléaire de puits s'enfonçant dans des formations souterraines.-Par exemple., dans la diagraphie de puits neutron-neutron, on utilise une source de neutrons primaires pour irradier les formations souterraines intéressantes. Le rayonnement secondaire résultant est mesuré par un ou plusieurs détecteurs
écartés axialement de la source à l'intérieur du trou de forage.
Ce rayonnement secondaire peut prendre la forme de neutrons ther-
miques, neutrons épithermiques ou rayons gamma de capture de neutrons thermiques. Un instrument de diagraphie du type utilisé pour les mesures de porosité est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4 005 290 o l'instrument de diagraphie comporte une source de neutrons et des détecteurs dé neutrons épithermiques et thermiques. Dans des processus tels que la diagraphie de porosité, ou diagraphie électrique, la source de neutrons est une source continue ordinairement de type chimique. D'autres techniques de diagraphie nucléaire de puits bien connus font appel.à des sources
de neutrons pulsées. Par exemple, dans la technique de-la diagra-
phie de puits analytique nucléaire, on abaisse un instrument
d'analyse dans le puits jusqu'au niveau d'une formation à analyser.
On met ensuite en oeuvre l'analyse en actionnant cycliquement une source de neutrons de l'instrument afin d'irradier la formation examinée au moyen d'impulsions, ou gerbes, répétées de neutrons rapides. Dans un pro ssus d'analyse décrit par le brevet des Etats-Unis d'Amérique n' 3 686 503, on peut faire détecter par
un détecteur de neutrons-des neutrons retardés émis par de l'ura-
nium à l'intûrieur de la formation. Un autre processus, décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n" 4 180 730, utilise la détection de neutrons instantanés émis par de l'uranium dans la formation. Des techniques de diagraphie nucléaire pulsée peuvent
- aussi être employées dans des processus selon lesquels on-dêter-
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mine des vitesses de désintégration radioactive. Ainsi, on irradie la formation examinée au moyen d'une salve de neutrons rapides, et on mesure la densité neutronique résultante dans des fenêtres temporelles successives ou en-recouvrement. Par exemple, le brevet des Etats-Unis d'Amérique na 3 800 150 décrit une technique de -
diagraphie de neutrons selon laquelle on mesure la vitesse de désin-
tégration neutronique relative aux neutrons épithermiques ou ther-
miques en utilisant des fenêtres temporelles de détection qui se
recouvrent partiellement l'une l'autre.
Les sources de neutrons qui peuvent être utilisées dans les processus de diagraphie nucléaire tels que décrits ci-dessus peuvent prendre la forme de tubes de neutrons de type accélérateur comprenant une section cible, une section de remplissage et une
- section d'ionisation placée entre la cible et la section de remplis-
sage. La section de remplissage constitue une source de gaz accélé-
rateur pour la section d'ionisation o celui-ci est ionisé puis
accéléré pour venir frapper la cible. La cible est formée d'un maté-
riau qui réagit au bombardement des ions en produisant'des neutrons.
Dans un certain nombre de sources à tube de type accélérateur bien connues, on utilise les isotopes lourds de l'hydrogène pour le gaz accélérateur et pour la source. Par exemple, le gaz accélérateur peut prendre la forme du deutérium ou de mélanges de deutérium et de tritium, et la cible peut comporter des molécules de-tritium, des molécules de deutérium ou des mélanges de molécules de deutérium et de tritium. La réaction nucléaire dite deutérium-tritium est une
réaction couramment utilisée dans un tube de neutrons du type accé-
lrateurpour produire les neutrons. Dans la section de remplissage, un filament ou un réservoir ordinairement formés de zirconium ou de titane sont électriquement chauffés (dans des conditions ajustées) de manière q'ils libèrent le deutérium gazeux précédemment absorbé dans
le filament ou le réservoir. Le zirconium et le titane ont la pro-
priété d'adsorber des quantités importantes de différents gaz tels
que l'hydrogène, le deutérium, le tritium, et bien d'autres gaz.
Ces matériaux ont en outre la propriété de libérer les isotopes gazeux de l'hydrogène dans des conditions données lorsqu'on les chauffe à environ 3000C tout en retenant d'autres gaz qu'ils peuvent -
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avoir adsorbés. Les molécules de deutérium eont ionisées dans la
section d'ionisation par application d'une tension positive:à une-
anode de la section d'ionisation. Les ions de deutérium sont ensuite accélérés par un important potentiel négatif, par exemple de-100 kV, et viennent frapper la cible de tritium en produisant une certaine
quantité de neutrons.
On peut utiliser diverses techniques pour ioniser le gaz accélérateur. L'une d'elles emploie un champ de haute fréquence pour
exciter le gaz et provoquer son ionisation. Une autre, qui se ré-
vèle particulièrement appropriée dans le cas o l'on fait fonc-
tionner la source de neutrons sous une basse pression du gaz accé-
lérateur et suivant un mode pulsé est constituée par la méthode_ dite de Penning. Une source d'ions de Penning comprend des cathodes séparées et une anode placée entre les cathodes. Dans une source d'ions de Penning du type à cathode froide, les électrons sont émis d'une surface cathodique par l'action du champ électrique
lorsqu'une pulsion de tension positive est appliquée à l'anode.
Un aimant associé à la source de manière à faire déplacer les électrons en spirale augmente donc leur trajectoire de vol et
augmente la probabilité qu'ils entrent en collision avec des molé-
cules du gaz accélérateur fourni à la chambre d'ionisation. Dans une source d'ions de Penning bien conçue, un certain nombre des électrons produits au niveau d'une surface cathodique viennent frapper l'autre surface cathodique, si bien que des électrons
secondaires sont émis et augmentent la réaction d'ionisation.
Ces sources d'ions sont bien connues de l'homme de l'art et sont
notamment décrites dans les ouvrages de Flinta, J. "Pulsed Highe-
Intensity Ion Source", Part I; Pauli, R. et Flinta, J. "Pulsed HighIntensity Ion Source", Part II, Nuclear Instruments 2, pages 219-236 (1958). Dans une source d'ions de Penning du type à cathode chaude, une cathode est formée d'un filament chauffé et les électrons initiaux sont produits par émission thermo-ionique à partir du filament. Pour le reste, les sources d'ions de Penning
à cathode froide et à cathode chaude sont sensiblement identiques.
Les sources d'ions à cathode chaude sont également bien connues de l'homme de l'art, et l'une d'elles est décrite dans Wood, J. et Crocker, A. "An Electrostatically Focused Ion Source and Its Use In A Sealed-Off D. C. Neutron Source", Nuclear Instruments And Methods 21,
pages 47-48 (1963).
La section cible d'un tube accélérateur de neutrons comporte classiquement, en plus de la cible, une électrode d'extrac- tion disposée entrera cible et la section d'utilisation. L'électrode d'extraction a pour fonction d'extraire de la section d'ionisation des molécules ionisées du gaz accélérateur et de les diriger sur la
cible. L'électrode d'extraction se trouve ordinairement à un poten-
tiel quelque peu plus négatif que la cible de manière à supprimer le courant d'électrons secondaires émis par la cible en direction de la
section d'ionisation.
Selon l'invention, il est proposé un-tube de neutrons
du type accélérateur possédant une section cible nouvelle et perfec-
tionnée. Le tube de neutrons comprend une section de remplissage qui délivre le gaz accélérateur, une section d'ionisation voisine de la section de remplissage et une section cible voisine de la section d'ionisation. La section cible comporte-une chambre placée dans le tube et, dans la chambre, une cible ayant une surface active qui est tournée vers la section d'ionisation et qui est formée d'un matériau produisant des neutrons sous-l'effet du bombardement par le gaz accélérateur ionisé. Un élément cathodique placé entre la section d'ionisation et la chambre de la cible comporte une surface
convergente évidée tournée vers la chambre de la -cible. Une ouverture -
- formée dans l'élément cathodique au niveau du sommet de cette sur-
face évidée permet l'extraction-du gaz accélérateur ionisé de la
section d'ionisation et son entrée dans la chambre de la cible.
Une électrode d'extraction est placée dans la chambre de la cible en
un point situé entre la cible et l'élément cathodique. Cette élec- -
trode possède une surface en saillie divergente du côté de la sur-
face évidée de l'élément cathodique. Au sommet de sa surface saillante, l'électrode possède une ouverture par laquelle.le gaz
accélérateur ionisé peut être dirigé sur la cible.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le rapport du diamètre à la longueur de l'ouverture de la cathode est supérieur à 0,75. Selon un autre mode de réalisation, la pente de la surface saillante de l'électrode d'extraction dans la direction
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de la cible est au moins aussi grande que la pente de la surface évidée de l'élément cathodique dans la direction de la cible. De préférence, la pente de la surface de l'électrode est supérieure à la pente de la surface de la cathode dans la direction de la cible.
La description suivante, conçue à titre d'illustration
de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels - la figure 1 est une représentation simplifiée d'un
dispositif de diagraphie de puits constituant un mode de réalisa-
tion de l'invention; et
- la figure 2 est une vue en coupe de la section d'ioni-
sation et de la section cible d'un tube de neutrons de type accélé-
rateur conçu selon l'invention.
En relation avec la figure 1, on va décrire l'inven-
tion relativement à une application préférée à un dispositif de diagraphie nucléaire de puits et, plus précisément, à un dispositif de diagraphie dans lequel la source de neutrons fonctionne en mode pulsé. Le dispositif de diagraphie de puits comprend un instrument de diagraphie 3 qui est suspendu à un cable 4 à l'intérieur d'un puits 5 traversant urne formation souterraine intéressante indiquée par le numéro de référence 6. Le trou de forage peut être garni ou non d'un tubage, mais il sera- normalement rempli d'un fluide tel que de la boue de forage, du pétrole ou de l'eau. Les signaux venant
de l'instrument de diagraphie sont transmis à la surface par I'inter-
médiaire de conducteurs appropriés passant dans le c&ble 4. jusqu'à.
un circuit 8 d'analyse et de commande placé à.la surface. Le cir-
cuit 8 fonctionne sur la base des mesures effectuées dans le puits et applique une ou plusieurs fonctions de sortie à un dispositif d'enregistrement 9. De plus, le circuit 8 transmet un-certain nombre
de fonctions de commande à l'instrument de diagraphie par l'inter-
médiaire de conducteurs passant le cable 4. Lorsque l'instrument de diagraphie se déplace dans le trou, un moyen d'enregistrement de profondeur, par exemple une poulie de mesure 10, produit un signal de profondeur qui est appliqué au dispositif d'enregistrement 9, de façon à mettre en corrélation les mesures effectuées dans le
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puits avec les profondeurs auxquelles elles sont effectuées.
L'instrument de diagraphie 3 comprend une source de
neutrons pulsée 12, une alimentation électrique 14 interne des-
tinée à la source, et undétecteur de rayonnement 15, qui répond au rayonnement primaire ou secondaire de la formation en réponse au signal de sortie de la source de neutrons pulsée. Par exemple,
le détecteur 15 peut être un détecteur de rayons gamma, un détec-
teur de neutrons thermiques ou un détecteur-: de neutrons épither-
miques. Alors qu'un seul détecteur est représenté sur la figure 1, on comprendra que ces instruments de diagraphie peuvent comporter plusieurs détecteurs réagissant à des rayonnements identiques ou différents. La source de neutrons pulsée est un tube de neutrons du type accélérateur comprenant une section de remplissage 16, une section d'ionisation 18 et une section cible 19. La section de remplissage 16-peut comprendre un élément de remplissage 16a qui libère du deutérium gazeux en réponse à l'application d'une tension continue ou alternative par l'alimentation 14. La section cible 19 comprend une cible de tritium.19a. La section cible comporte également, de façon typique, un ensemble d'électrodes de captage et de focalisation et une alimentation de haute tension négative (non représentée) ayant pour fonction de diriger les ions venant de la section d'ionisation 18 sur la cible 19a tout en supprimant le contre-courant d'électrons secondaires produit par l'impact des *25 ions sur la cible. La section d'ionisation 18 est une source d'ions du type Penning et comporte des moyens anodiques 18a et des moyens
cathodiques 18b et 18c.
La source de neutrons 12 peut fonctionner suivant un
mode continu ou un mode pulsé. Quel que soit le mode de fonctionne-
ment, le deutérium gazeux libéré lors de l'application d'une puis-
sance électrique à l'élément de remplissage 16 passe dans la section
d'ionisation 18 o les molécules du gaz sont ionisées par une ten-
sion d'ionisation positive (par rapport aux cathodes 18b et 18c) appliquée entre l'anode 18a et les cathodes 18b et 18c. Les ions
de deutérium formés dans la section d'ionisation sont ensuite accé-
lérés en direction de la cible 19a par une tension négative appliquée à la section cible. Par exemple, une tension ou une impulsion de tension positive d'une amplitude comprise entre quelques centaines
de volts et quelques kilovolts peut être appliquée à,l'élément ano-
dique 18a, tandis qu'une tension de -100 kV est appliquée à la sec-
tion cible 19.
La section d'ionisation de Penning du tube de neutrons du type accélérateur peut être "à cathode froide" ou "à cathode chaude". Dans la source à cathode froide, les électrons primaires sont produits par l'action du champ électrique lorsqu'une impulsion de tension positive est appliquée à l'anode. Dans la source a
cathode chaude, les électrons sont initialement produits par émis-
sion thermo-ionique à partir d'un filament électriquement chauffé.
-..a source à cathode froide présente l'inconvénient, particulière-
ment important lorsque la source de neutrons fonctionne en mode pulsé, d'avoir un décalage temporel par rapport à l'instant o le flux électronique atteint une valeur suffisante pou'r ioniser de façon optimale le gaz accélérateur. Ainsi, lorsqu'on applique-une impulsion de tension positive à l'anode, il se passe ordinairement une durée d'environ 3 à 10 microsecondes avant que le flux électronique ne
s'établisse à une valeur d'équilibre. la source à cathode chaude,-
du fait que les électrons sont rendus instantanément disponibles par l'émission thermo-ionique, né présente pas cet inconvénient. Toute- r fois, la source à cathode chaude demande une alimentation électrique de haute tension supplémentaire, ce qui est particulièrement important dans le cas d'instruments de diagraphie travaillant au fond qui sont
alimentés en énergie depuis la surface.
La concentration du gaz accélérateur ionisé dépend de la pression du gaz accélérateur, c'est-à-dire de la concentration en molécules gazeuses de la section de remplissage et du rendement de la section d'ionisation. Le rendement d'ionisation est directement relié au flux et à l'énergie des électrons libres de la section
d'ionisation. Ainsi, un processus d'ionisation relativement ineffi-
cace demande une pression de gaz accélérateur relativement élevée,
c'est-à-dire une concentration plus forte en molécules gazeuses.
Inversement, on peut notablement réduire la pression du gaz accélé-
rateur en augmentant le flux électronique dans la section d'ionisation.
On obtient un accroissement très important de la production de neu-
trons à l'aide d'une source d'ions qui fonctionne efficacement à
une faible pression gazeuse de l'ordre de quelques microns de pres-
sion de mercure. Cette relation est vraie aussi bien pour les sources
d'ions continues que pour les- sources d'ions pulsées.
On accrott sensiblement le rendement de la section d'ionisation de la source de neutrons en formant la surface active d'au moins une des cathodes en un matériau possédant un coefficient
d'émission d'électrons secondaires de 2 ou plus.
On accroît sensiblement le rendement de la section d'ionisation de la source de neutrons en formant la surface active d'au moins une des cathodes en un matériau radioactif faisant
fonction d'émetteur de rayons bêta négatifs. Les matériaux radio-
actifs qui sont des émetteurs de rayons bêta purs se révèlent parti-
culièrement appropriés. Des matériaux qui se révèlent particulière-
ment utiles pour former les surfaces cathodiques comportent des oxydes métalliques tels que l'oxyde d'aluminium. l'oxyde de béryllium,
l'oxyde de baryum et l'oxyde de magnésium. Les oxydes métalliques pré-
férés sont l'oxyde de béryllium, l'oxyde d'aluminium et l'oxyde de magnésium, puisque ces matériaux sont relativement stables dans un
environnement à basse pression d'hydrogène ou d'isotopes lourds de-
l'hydrogène et, sous une épaisseur suffisante, sont stables vis-à-vis d'impacts ioniques. Parmi les oxydes mentionnés, l'oxyde de béryllium est celui qui résiste le mieux à la réduction dans un environnement d'hydrogène, et'se révèle donc particulièrement approprié. L'oxyde de béryllium offre un coefficient d'émission d'électrons secondaires qui dépasse 3, ceci étant une particularité préférée. Si cela est souhaitable, on peut doter de surfaces actives formées d'un matériau émettant des rayons bêta les deux cathodes. Ainsi, une ou plusieurs
surfaces cathodiques actives peuvent être formées de matériaux radio-
actifs tels que le nickel-63, le prométhium-147 et le carbone-14. Le nickel-63 est préféré, car il est un émetteur de rayons bêta purs et a une durée de vie relativement longue, de presque 100 ans. On
peut aisément former un placage de nickel-63 sur un élément de sup-
port qui est également un bon conducteur de flux magnétique, tel que le fer doux, des alliages de fer, de nickel, etc. Dans un autre agencement du tube de l'invention, la surface active de l'une des cathodes est dotée d'un matériau émetteur de rayons bêta, tandis que la-surface active de l'autre cathode contient un matériau ayant un coefficient d'émission secondaire d'au moins 2, comme cela a été
indiqué ci-dessus.
Selon une autre configuration de la section d&ionisation qui peut être utilisée en combinaison avec des matériaux cathodiques faisant fonction d'émetteur de rayons bêta et, ou bien, des matériaux à coefficient d'émission secondaire relativement élevé tels que
décrits ci-dessus, ainsi qu'en relation avec des matériaux catho-
diques plus classiques, l'un des éléments cathodiques reçoit une
surface active possédant une partie protubérante se prolongeant axia-
lement dans la chambre de la section d'ionisation. -Un deuxième élé-
ment cathodique comporte une ouverture disposée suivant l'axe de la partie prépondérante de manière à permettre l'extraction d'ions en
provenance de la chambre d'ionisation. De préférence, la partie pro-
tubérante de la surface cathodique se trouve à une proximité plus -
étroite de l'anode de la section d'ionisation que le reste de la
surface cathodique active. Cette configuration de l'élément catho-
dique a pour effet d'accroître le champ électrique au niveau du bord périphérique de la partie protubérante et dans la partie intérieure centrale de la section d8ionisation, ce qui renforce l'extraction d'électrons par le champ électrique-au niveau du bord périphérique et, par conséquent, accroÂt la probabilité que les électrons émis à partir de la cathode viennent traverser la cathode opposée au
lieu d'être captés par l'anode.
La surface cathodique possédant une partie protubé-
rante peut être formée d'un matériau émetteur de rayons bêta ou d'un matériau ayant un coefficient d'émission secondaire d'au moins 2. Lorsque la surface active de la première cathode est formée d'un
matériau émetteur de rayons bêta, la surface active du deuxième élé-
ment cathodique peut être formée d'un matériau ayant un coefficient
d'émission secondaire d'au moins 2. En outre, une partie de la sur-
face active du premier élément cathodique, laquelle est évidée par rapport à la partie protubérante, peut également être formée d'un
matériau ayant un coefficient d'émission secondaire de 2 ou plus.
L'élément cathodique placée entre la chambre d'ionisa-
tion et la chambre de la cible possède une ouverture destinée à permettre l'extraction des particules de gaz ionisées en vue de leur entrée dans la chaibre de la cible et de leur venue en contact avec la cible. Le côté de l'élément cathodique tourné vers la chambre de la cible a la forme d'une surface convergente évidée présentant l'ouverture à son sommet. Ainsi, la surface cathodique peut être du
type surface concave ou surface intérieure de tronc de cône. L'élec-
trode d'extraction placée entre la cible et la cathode a une surface saillante divergente du côté de la surface cathodique évidée. Cet élément cathodique possède au sommet de la surface saillante une ouverture par laquelle les-ions sont accélérés pour venir bombarder la cible. Ainsi, la surface de.l'électrode d'extraction peut être
convexe ou tronconique lorsqu'on la-regarde depuis la cathode.
Les surfaces de la cathode et de l'électrode d'extrac-
tion sont conjointement conçues pour concentrer le champ électrique de la chambre de la cible dans la partie centrale de celle-ci, afin d'accrottre l'accélération et l'extraction d'ions en direction de la cible, via l'ouverture de la cathode, De plus, le rapport du
diamètre à la longueur de l'ouverture n'est pas inférieur à 0,75 et.
de préférence, est supérieur à 1 de façon que le champ électrique produit dans la chambre-de la cible pénètre jusque dans la source d'ions et extrait efficacement des ions de la chambre d'ionisation, ceci permettant en outre de réduire la neutralisation des ions. Les
ions qui viennent en contact avec la surface intérieure.de l'ouver-
ture suivant sa longueur sont neutralisés par capture d'un électron libre à la surface métallique de la cathode, de sorte que l'on réduit la neutralisation des ions en réduisant la surface sur laquelle il
est possible que se produisent des contacts.
Relativement à la figure 2, est représentée une vue en
coupe de la section d'ionisation et de la section cible du tube accé-
lérateur de neutrons. La section d'ionisation comprend un élément cathodique principal 22 et un élément cathodique secondaire 24 qui définissent les extrémités supérieure et inférieure de la chambre 25
dans laquelle l'ionisation du gaz accélérateur a effectivement lieu.
Suivant le pourtour intérieur de la chambre 25 et entre les éléments cathodiques 22 et 24 se trouve un élément anodique 27. L'élément anodique 27 est monté sur des bagues isolantes en céramique 29 et 30 et est donc isolé de manchons métalliques 32 et 33 qui, avec les
éléments cathodiques, définissent -le reste de la chambre d'ionisation.
il:2482404 Les manchons 32 et 33 et l'anode 27 sont formés en un métal non magnétique ou à perméabilité relativement faible, tel qu'un acier inoxydable austénitique de la série 300 AISI (norme des Etats-Unis d'Amérique). Un aimant annulaire 35 entoure l'extérieur de la chambre d'ionisation et s'étend au-delà des extrémités Supérieure et inférieure de l'élément anodique, ainsi que cela est-'représenté sur la figure. Partant de l'élément anodique et passant entre les bagues en céramique 29 et 30, puis dans l'aimant 35 et une bague annulaire 37, il est prévu un fil électrique 38 servant à connecter l'anode à une source d'alimentation électrique de haute tension, L'élément cathodique 22-est doté de canaux 36 par lesquels le gaz accélérateur de la section de remplissage 16 s'écouledans la
chambre d'ionisation.
L'élément cathodique 24, l'élément cathodique 22 et la
bague annulaire 37 sont tous formés de matériaux extrêmement per-
meables au flux magnétique. Par exemple, ces éléments peuvent être faits en fer doux ou en certains aciers inoxydables, tels que l'acier inoxydable de la série 410 AISI (norme des Etats-Unis d'Amérique). La partie supérieure de l'élément cathodique 24 et, la bague 37 créent donc, en relation avec la partie inférieure de l'élément cathodique 24 et de l'élément cathodique 22, un parcours
magnétique A perméabilité élevée qui prend naissance à l'extérieur.
des extrémités de l'élément 35, puis tourne vers l'intérieur jusqu'aux surfaces actives des éléments cathodiques. Les parcours a perméabilité élevée que créent les cathodes 22 et 24-et la bague 37
dirigent la plus grande partie du flux magnétique existant entre les..-
p8les nord et sud de l'élément 35 jusqu'à l'intérieur de la chambre 25.
De plus, on admettra en examinant la figure 2 que le champ magnétique le plus intense qui s'établit à l'application d'une tension positive
à l'élément anodique 27 part de la partie protubérante 42 de l'élê-
ment cathodique 22. Ceci augmente la probabilité que.les électrons
ébis par les éléments cathodiques 22 et 24 viennent frapper la sur-
face cathodique opposée au lieu d'être captés par l'élément ano-
dique 27 et, avec l'effet de spirale conféré par le champ magnétique
accru. existant à l'intérieur de la chambre, augmentela probabilité.
que les électrons viennent frapper des molécules du gaz accélérateur
pour produire les ions voulus.
24.2 404
Les surfaces cathodiques 22 et 24, qui sont tournées vers la chambre 25, peuvent être formées de n'importe quel matériau approprié. De préférence, ces surfaces sont formées d'un matériau
émetteur de rayons bêta et, ou bien- d'un matériau ayant un coeffi-
cient d'émission secondaire de valeur élevée, ainsi que cela a été indiqué ci-dessus. Ainsi, la surface 22a de la partie protubérante 42 peut être formée de nickel-63 tandis que la partie évidée 22b de la
surface active de l'élément cathodique 22 peut être formée d'un maté-
riau tel que l'oxyde de béryllium. La surface active 24a de l'élé- ment cathodique 24 peut de même être formée d'oxyde de béryllium; - La-
section cible comporte un élément 50 de support de cible et une cible 51. La face 52 de la cible est formée d'un matériau tel que le zirconium, le titane ou le scandium absorbant ou contenant du tritium adsorbé ou absorbé. L'élément 50 de support de cible se prolonge jusque dans la chambre 48 de la cible par
l'intermédiaire d'un élément de cloisonnement inférieur (non repré-
senté). La chambre de la cible est délimitée en outre par l'élément cathodique24 et une bague de verre 54 qui est maintenue en place par
des manchons 55 et 56 en "Kovar". ou un autre matériau métallique.
Le manchon 55 est soudé à l'élément cathodique 24, et le manchon 56
est de même fixé à un élément de support inférieur (non représenté).
La surface 58 de la cathode 24 qui est tournée vers l'intérieur de la chambre de la cible converge sur le point auquel l'ouverture 40 fait passer, dans l'élément cathodique, de la chambre d'ionisation à la chambre de la ciblé. Le rapport du diamètre à la
longueur de l'ouverture 40 (la longueur étant comptée de la surface 24a-
jusqu'à la surface d'évidement 50est supérieur à 0,75 et,;de préfé-
rence, supérieur à 1 afin de permettre d'extraire efficacement de la chambre d'ionisation les ions du gaz accélérateur et de réduire les pertes d'ions par neutralisation. A cet égard, puisqu'on donne à
l'élément cathodique une épaisseur relativement petite à l'emplace-
ment de l'ouverture, le champ électrique qui s'établit dans la
- chambre de la cible de la manière indiquée ci-dessus tend à se pro-
longer jusque dans la chambre d'ionisation, ce qui facilite.l'extrac-
tion des ions et leur accélération vers la cible 51.
- Une électrode d'extraction 60 est placée entre la surface 52 de la cible et la surface cathodique 58. L'électrode 60 comporte une ouverture 62 et sa surface 63 tournée vers la surface cathodique 58 fait saillie en direction de la surface cathodique et est divergente par rapport à l'ouverture 62. Ainsi que cela est illustré sur la figure 2, la surface 63 de l'électrode 60 a la même configuration générale que la surface cathodique 58 et lui est sensiblement parallèle. Ainsi, les pentes des surfaces 58 et 63 sont sensiblement identiques dans la direction de la cible. De telles surfaces de la cathode.et de l'électrode tendent à concentrer suivant l'axe des ouvertures 40 et 62- le champ électrique se trouvant entre l'électrode et la cathode. Un champ relativement intense va du bord de l'ouverture.40 au bord de l'ouverture 62. De plus, ce champ
se prolonge quelque peu dans l'ouverture 40, ce qui augmente la pro-
babilité que les ions produits dans la chambre 25 soient extraits et accélérés en direction de la surface 52 de la cible. En donnant à la surface 63 de l'électrode une forme telle que sa pente en direction de la cible soit au moins aussi grande que la pente de
la surface 58, on peut maintenir à un niveau acceptable l'inten-
sité du champ des régions périphériques de la chambre 48 sans forma-
tion d'arc interne associé à un phénomène de rupture diélectrique.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'électrode d'extraction 60 a une forme telle que la pente de sa surface 63
en direction de la cible est supérieure à celle de la.surface 58.
Alors, dans les régions périphériques de la chambre, la distance entre un point de la surface 58 et le point correspondant de la surface 63 est plus grande que la distance séparant les surfaces correspondantes de la partie centrale de la chambre. Ceci a pour effet d'affaiblir le champ électrique dans la partie périphérique de la chambre, relativement à sa valeur dans la partie centrale, et réduit encore la probabilité quese forme un arc électrique interne tout en augmentant la probabilité que les ions accélérés viennent frapper la cible, Ainsi que cela a été noté précédemment, le diamètre -de l'ouverture formée dans l'élément cathodique 24 est de préférence plus grand que sa longueur. De préférence, la paroi de l'électrode 60 est relativement mince si bien que le même raisonnement s'applique à l'ouverture 62. De fait, il est est préférable que le diamètre X
de l'ouverture 62 sait au moins deux fois plus grand que sa longueur.
248 24-0 4
Une telle relation géométrique diminue sensiblement la probabilité que des ions accélérés à travers la chambre 48 de la cible viennent frapper l'électrode, ce qui augmente le taux de bombardement de la cible. Il est également préférable que le diamètre de l'ouverture 62 soit supérieur à celui de l'ouverture 40. Cette considération d'optique ionique appliquée à-la chambre de la cible permet de placer la cible
à proximité relativement étroite de l'électrode d'extraction.
Ainsi qu'on l'a noté précédemment, l'électrode d'extrac-
tion 60 est maintenue à un potentiel légèrement plus négatif.que
celui de la cible 52 pendant la production de la salve de neutrons.
Par exemple, on peut maintenir la cible à un potentiel de -95 kV
et l'électrode à un potentiel de -100 kV. La cathode 24 est naturel-
lement positive par rapport à la cible et à l'électrode d'extrac-
tion et est négative par rapport à l'anode 27. Ainsi, la cathode 24 peut être au potentiel de la terre (le bâti), tandis que l'anode est à un potentiel positif compris entre quelques centaines de volts et, peut être, 3 kV pendant la production des neutrons. Les tensions négatives peuvent être appliquées à l'électrode d'extraction et à la cible par n'importe quel moyen approprié. Une technique convenable consiste à connecter la cible et l'électrode d'extraction en parallèle sur la même source de tension négative alors que la résistance du circuit de la cible est supérieure à la résistance du circuit de l'électrode. Ainsi, lorsque le tube est au repos, la cible et l'électrode sont au même potentiel négatif. Toutefois, lorsque des
ions du gaz accélérateur sont produits, l'intensité de courant résul-
tante dans la résistance du circuit de la cible réduit la tension
de la cible d'une quantité appropriée.
Bien entendu, l'homme-de l'art sera en mesure d'imaginer,
à partir du tube accélérateur de neutrons dont la description vient
d'être donnée simplement à titre illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention.
2 4.240>4
Claims (7)
1. Tube accélérateur de neutrons possédant une section de
remplissage (16) qui fournit un gaz accélérateur, une section d'ioni-
sation (18) voisine de la section de remplissage et une section cible (19) voisine de la section d'ionisation, caractérisé en ce que la section cible comprend:
(a) une chambre (48) de cible,-
(b) une cible (51) disposée dans la chambre de cible et possédant une surface active qui est tournée vers la section d'ionisation et qui est formée d'un matériau produisant des neutrons en réponse à- un bombardement par un gaz accélérateur ionisé,
(c) une cathode (24) disposée entre la section d'ionisa-
tion et la chambre de cible, la cathode possédant une surface conver-
gente évidee (58) tournée vers la chambre de cible et une ouverture
(40) située au sommet de la surface partant de la section d'ionisa-
tion en direction de la chambre de cible afin de permettre que le flux de gaz ionisé venant de la section d'ionisation passe dans la chambre de cible, et (d) une électrode d'extraction (60) disposée dans la chambre de cible entre la cible et la cathode et possédant une surface saillante divergente (63) du coté de la surface évidée de la cathode, ainsi qu'une ouverture (62) située au sommet de la
surface saillante.
2. Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport du diamètre à la longueur de l'ouverture (40) de la
cathode est d'au moins 0,75.
3. Tube selon la revendication 1 ou-2, caractérisé en ce que le diamètre de l'ouverture (63) de l'électrode d'extraction est
supérieur au diamètre de l'ouverture (40) de la cathode.
4. Tube selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le diamètre de l'ouverture (63) de l'électrode est supérieur
à sa longueur.
5. Tube selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,
caractérisé en ce que la pente de la surface saillante (63) de-
l'électrode d'extraction en direction de la cible est au moins aussi grande que la pente de la surface évidée (58) de la cathode
en direction de la cible.
6. Tube selon la revendication 5, caractérisé en ce que la pente de la surface de l'électrode d'extraction en direction de la cible est plus grande que la pente de la surface de la cathode en
direction de la cible.
7. Tube selon la revendication 6, caractérisé en ce que le diamètre de l'ouverture (62) de l'électrode d'extraction est
supérieur au diamètre de l'ouverture (40) de la cathode.
o
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