FR2907964A1 - Canon a electrons pour le traitement de l'air - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de canon à électrons pour le traitement de l'air comportant une cathode annulaire (2) disposée en regard d'une anode métallique ou « fenêtre » (1) assez mince pour transmettre à l'atmosphère, dans la zone d'interaction (3), le faisceau d'électron accéléré entre la cathode (2) et la fenêtre (1) dès lors qu'une tension impulsionnelle est appliquée entre ces deux éléments. Le traitement de l'air en faisant circuler radialement celui-ci de façon à balayer l'espace d'interaction (3). L'ionisation de l'air ainsi réalisée peut servir à la destruction de C.O.V. (composé organique volatile) ou à la stérilisation de l'air.

Description

1 DESCRIPTIF TECHNIQUE DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne

les procédés de traitement de l'air par voie purement électrique.

5Eile s'applique notamment à : la stérilisation de l'air la destruction des molécules dangereuses présentes dans les effluents industriels la destruction des composés organiques volatiles (COV) qu'il peut contenir la destruction des odeurs.

10ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE On se reportera aux documents suivants : [1] CA 1 118 180 A process and apparatus for cold cathode electron beam generation for sterilization of surfaces and similar applications . invention de Richard N Cheever (8 décembre 1981). 15 [2] US 4 721 967 A electron gun printer having window sealing conductive plates invention de Michel Roche (26 janvier 1988) [3] demande de brevet français du 20/10/03 N 0350704000 canon à électron à anode focalisante formant une fenêtre de ce canon application à l'irradiation et à la stérilisation invention de Philippe Fontcuberta et Michel Roche.

2OLe document [1] décrit un canon à électrons à cathode froide. Ce canon comporte une fenêtre conductrice qui constitue l'anode du canon et que traversent dies électrons pour ioniser l'air à la pression atmosphérique. Le document [2] décrit une imprimante à faisceau d'électrons comportant plusieurs fenêtres traversées par des électrons issus d'une cathode et d'un système accélérateur situés loin de ces 25fenêtres lequel faisceau est balayé devant lesdites fenêtres. Le document [3] décrit un canon à électrons à anode focalisante formant une fenêtre de ce canon. Celle-ci est située en regard d'une cathode et polarisée par une source de haute tension permettant d'accélérer les électrons issus de la cathode, la surface de la cathode et de l'anode étant cylindrique ou sphérique de façon à produire soit un faisceau cylindrique plein soit un 30faisceau plat rectiligne. On sait donc obtenir un faisceau d'électrons dans l'atmosphère, c'est à dire en dehors de l'enceinte à vide où il a été accéléré, ceci grâce à l'anode dont la courbure permet de supporter la pression atmosphérique en dépit de sa très faible épaisseur (quelques m), requise pour laisser passer des électrons de très faible énergie (30 à 300 keV).

2907964 2 On sait également focaliser le faisceau pour obtenir certains effets liés à des très fortes puissances spécifiques libérées dans la matière ; par exemple la génération de chocs, ou encore obtenir des débits de dose très intenses pour provoquer des mutations de l'ADN ou réticuler des plastiques.

5Dans des applications industrielles, il est généralement important de traiter des grands volumes, d'où la nécessité de balayer ces volumes par le faisceau d'électrons tout en ayant des dépots d'énergie constants en tous points. On conçoit donc que les faisceaux cylindriques pleins issus de formes anodiques et cathodiques sphériques sont inadaptés pour obtenir ce mécanisme de balayage. Seul un passage sous un faisceau laminaire, parfois appelé rideau d'électrons, est de 10nature à produire cet effet. Malheureusement, il y a parfois des effets de bord qui, notamment dans le cas du traitement de l'air, entraînent une perte d'énergie aux extrémités de la gaine par un effet de rupture de l'équilibre électronique au voisinage d'une paroi, d'où un risque de traitement inhomogène qui peut être extrêmement pénalisant dans le cas de la stérilisation par exemple. EXPOSE DE L'INVENTION 15La présente invention a pour but de remédier à l'inconvénient précédent grâce à la forme tubulaire des faisceaux mis en oeuvre ce qui supprime les effets de bord. Elle a pour objet un canon à électrons apte à fournir des électrons dans un domaine d'énergie allant de 30 à 300 keV, utilisant des fenêtres minces en titane ou en aluminium de forme courbée pour résister à la pression atmosphérique et servant simultanément d'anode et d'électrode de 20focalisation, dont la particularité est d'avoir une forme annulaire permettant ainsi de réaliser un faisceau tubulaire, soit cylindrique, soit conique. On conçoit dès lors que le flux d'air à traiter (Di puisse traverser radialement le faisceau d'électrons sans rencontrer aucune discontinuité. De façon précise, l'invention a pour objet un canon à électrons comprenant : une enceinte étanche prévue pour être sous vide (12) 25 - une cathode froide ou chaude (à oxyde ou dispenser ) ou encore à effet de champ (2) comportant une surface émettrice apte à émettre des électrons. Une anode métallique constituant une fenêtre étanche apte à laisser passer les électrons au potentiel de la terre Des moyens de polarisation impulsionnelle ou continue (18) à (25) permettant d'établir 30 entre la cathode et l'anode une tension convenable pour accélérer des électrons qui forment ainsi un faisceau traversant l'anode. Ce canon à électron étant caractérisé en ce que l'anode et la cathode ont une surface courbée dans les deux sens avantageusement de forme torique, convenable pour accélérer un faisceau tubulaire, cylindrique ou conique.

2907964 3 Suivant une autre caractéristique, le faisceau d'électron est utilisé pour le traitement de l'air soit pour sa stérilisation par action mutagène sur l'ADN de polluants microbiologiques, soit par réactions chimiques d'oxydation ou de réduction résultant de la dissociation des molécules 02 ou N2 par exemple en vue d'incinérer à froid les molécules d'hydrocarbure polluant l'air.

5Suivant une autre caractéristique, la tension d'accélération établie de façon continue ou impulsionnelle entre anode et cathode peut aller de 30 à 300keV. Suivant une autre caractéristique, les moyens de polarisation de la cathode sont prévus pour obtenir une tension anode-cathode pulsée en vue d'obtenir une accélération des électrons en mode pulsé.

10Suivant une autre caractéristique, les moyens de polarisation impulsionnelle de la cathode en polarité négative sont fondés sur le principe d'addition de tension par induction et comprennent : une série d'inducteurs (21) et (22), excités individuellement par autant de générateurs d'impulsion (27), de tension Vo relativement faible, via une série de câbles coaxiaux (20) empilés axialement autour d'un tube isolant (23) étanche au vide. 15 - Une boucle formant secondaire constituée par le conducteur central (18), la plaque métallique arrière (28), les tirants (19), l'enceinte (12), l'anode (1) et le porte-cathode (7) aux bornes de laquelle une boucle, c'est à dire entre anode et cathode, est induite. Une tension égale à nVo si n représente le nombre d'inducteurs. Des moyens (25), (26), (43), (44) permettant de réaliser le chauffage de la cathode dans 20 le cas où elle est de type à oxydes ou dispenser . Suivant une autre caractéristique, les impulsions appliquées à la cathode sont très brèves avantageusement de durées comprises entre 20 et 200 ns. Suivant une autre caractéristique, le canon à électrons est utilisé soit pour stériliser l'air, soit pour détruire les odeurs, soit pour éliminer tous composés organiques volatiles (COV) polluant l'air, 25soit encore pour détruire des gaz dangereux tels que rejetés par certains process industriels ou autres gaz asphyxiants ou de combat. Suivant une autre caractéristique, le système comporte au moins un catalyseur ou filtre convenable, pour l'élimination de molécules indésirables qui pourraient apparaître consécutivement à l'interaction du faisceau d'électrons avec l'air et ses impuretés.

30L'invention sera de toute façon mieux comprise à partir des explications qui vont suivre, référencées aux schémas annexés dans lesquels : La figure 1 représente la circulation de l'air et son interaction avec le faisceau d'électrons. La figure 2 représente l'espace accélérateur et un détail d'une cathode. La figure 3 représente un mode de réalisation de l'ensemble cathode-anode chaude avec la 35circulation de l'air à traiter.

2907964 4 La figure 4 représente une vue générale de l'ensemble de traitement de l'air adapté à une fixation sur gaine de ventilation conventionnelle. La figure 5 représente le générateur d'impulsion dans un mode de réalisation particulier de type à induction .

5La figure 6 représente une réalisation particulière de l'invention appliquée au recyclage d'air. La figure 7 représente une version du canon à électron adapté à un fonctionnement en mode continu. La figure 8 représente un système permettant d'assurer le chauffage de la cathode à partir du potentiel de la terre.

10Le traitement de l'air par faisceau d'électrons met en jeu deux mécanismes différents : 1) Des réactions chimiques, initiées par des radicaux ou atomes excités, résultant de la dissociation moléculaire de l'oxygène ou de l'azote, constituants essentiels de l'air. Par exemple, les atomes d'oxygène créés par l'ionisation, c'est à dire par des chocs non élastiques des électrons sur les molécules d'oxygène, ont une durée de vie assez brève 15 (quelques s) mais sont extrêmement actifs et provoquent une oxydation dès le premier choc avec une molécule organique. On démontre que le taux d'oxydation effectué au cours du traitement sera proportionnel au nombre total d'atomes créés pendant la durée totale d'interaction des électrons avec l'air . Ainsi le taux d'oxydation est proportionnel à la dose reçue, multiplié par la concentration des molécules à oxyder restantes. Le même 20 raisonnement pourrait s'appliquer à l'azote dont l'action est au contraire réductrice. 2) Stérilisation et réticulation Dans ce cas, l'ionisation provoque des modifications de liaisons chimiques au sein d'une même molécule. Par exemple la stérilisation résulte d'une mutation dans la chaîne de l'ADN c'est à dire généralement par une inversion entre les radicaux R; et R;+,. On 25 montre que la probabilité d'apparition de cette réaction d'inversion est égale au produit de la densité des radicaux [R] par la densité des radicaux [R;+1]. Or, ces densités sont proportionnelles à la puissance spécifique déposée par le faisceau d'électrons multipliée par le temps de vie de l'espèce en question. On voit donc que le rendement de la réaction de mutation est proportionnel au carré de la puissance du faisceau.

30 Dans le cas d'un process de stérilisation de l'air, les deux mécanismes coexistent. Malheureusement, on obtient aussi des réactions chimiques généralement indésirables telles que:N2+0=NOxouO2+0=O3ietc... On a vu que le rendement de ces réactions était proportionnel à la dose c'est à dire à ÇPdt tandis que le rendement utile, c'est à dire l'effet de stérilisation, était proportionnel à P2.

2907964 5 On voit que, à l'évidence, on a intérêt à fonctionner en régime impulsionnel c'est à dire à p très élevé. Pour illustrer ce propos, comparons les rendements de stérilisation entre deux cas extrêmes où la dose délivrée est, par hypothèse, la même : 1 cas, le faisceau est continu : la durée de l'irradiation est donc égale à =t; 5 • la signification de Ax est visible sur la figure 2. • est la vitesse de l'air à l'emplacement du dépôt d'énergie : si Ax = 2 cm et 9= 10 ms' on a t =2 ms. 2"cas, on irradie avec un faisceau de même énergie mais pulsé et si on admet que le taux de recouvrement des volumes irradiés est de 2, ce qui en d'autres termes, signifie que la période des 10impulsions T avec les notations ci-dessus, vaut : T=29 . Si la durée des impulsions est fixée à ti = 50ns, le facteur d'accroissement du rendement en mode t' pulsé par rapport au continu vaut : 2r 2 Soit encore, numériquement avec les valeurs ci-dessus : 4 10". En réalité, ce chiffre doit être corrigé des effets de saturation ce qui le réduit considérablement 15mais l'efficacité reste très importante. Inversement, pour une efficacité de stérilisation donnée, la production de réactions chimiques (03, NOx, etc...) indésirables en pulsé, sera considérablement réduite par rapport à un process continu. Ainsi en pulsé la production d'ozone et de NOx est quasiment réduite à zéro.

20En revanche, pour le traitement des COV, le mode pulsé n'apporte rien, si ce n'est une simplification technologique de la machine résultant, notamment, de la réduction des distances d" isolement. EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS La figure 3 représente une coupe axiale de la diode dans laquelle est accéléré le faisceau 25d'électrons annulaire ainsi que la pénétration de celui-ci dans la veine d'air à traiter (Di. La cathode (2) est immergée dans une enceinte à vide constituée par les pièces mécaniques (12), (5), (4) ainsi que par la fenêtre (1). Celle-ci est constituée par une feuille mince d'aluminium ou de titane sur laquelle nous reviendrons ultérieurement. Cette enceinte est fermée au niveau de l'axe de symétrie par le générateur d'impulsion (10), non représenté sur la figure 3, mais visible 30sur la figure 4 et détaillé sur la figure 6. Cette enceinte peut avantageusement être mise sous vide statique, notamment dans le cas de petites machines produites en série, mais pour les prototypes, les petites productions et les grosses machines, il est préférable de réaliser un vide 2907964 6 dynamique en pompant en permanence au moyen de la pompe (11), avantageusement de type turbomoléculaire ou ionique, connectée à l'enceinte ci-dessus décrite par un tube isolant (23), coaxial au générateur d'impulsions (12). Etant donné la présence de rayonnement de Bremsstrahlung , provoqué par l'impact du 5faisceau sur la fenêtre, sur l'air et sur les parois de l'enceinte (13), il est impératif de ne pas utiliser de joints élastomères pour assurer l'étanchéité de cette enceinte, mais au contraire utiliser des joints métalliques. Cette enceinte, connectée au générateur d'impulsion (10) et, éventuellement à la pompe (11), est fixée sur une structure métallique (13) qui assure la double fonction de : - protéger contre l'émission de rayonnement de Bremsstrahlung afin d'autoriser la présence d'opérateurs au contact de la machine pendant son fonctionnement ; assurer la circulation de l'air dans le volume d'interaction (3) sous forme d'un écoulement, laminaire ou turbulent, à vitesse sensiblement constante dans cet espace (flux incident noté (Di et flux sortant noté (Ds). Cette structure doit aussi permettre la connexion de la machine sur des gaines de ventilation standard. La cathode (2) a une forme annulaire avec un axe de symétrie A qui est aussi celui de la machine (générateur + diode (2) û (1)) ainsi que celui du faisceau d'électron (fig.1). Sa structure est détaillée sur la figure 2 dans l'hypothèse de l'emploi d'une cathode chaude à oxydes ou de type dispenser . Cette dernière est aussi appelée cathode réservoir . La couche émissive (17) a 20une forme toroïdale, coaxiale et sensiblement concentrique à l'anode ou fenêtre (1) de façon à créer des lignes de champ électrique convergentes. Elle est portée à une température qui peut aller de 800 à 1100 C suivant le type d'oxydes grâce à une résistance blindée (15) alimentée depuis le potentiel de la terre par le transformateur (26) grâce au fil (25) ; le retour du courant étant assuré par la masse (pièces (18), (7) et (2)).

25L'épaisseur de l'anode peut se calculer à partir de la formule de Pascal décrivant la tension superficielle d'une menbrane T = Ea (E = épaisseur de la menbrane et a la contrainte de traction) en fonction de la différence de pression AP (entre l'intérieur et l'extérieur) et la courbure C= 1 + 1 R, et R2 étant les rayons des cercles oscutateurs de la surface : AP = C Ea. On a bien R, Rz entendu AP = 1 bar.

30Le petit rayon de courbure R, est en pratique de l'ordre de 15mm, tandis que R2 est de l'ordre de -100mm. Si la fenêtre est réalisée au moyen d'une feuille de titane laminée de 10 m d'épaisseur, convenablement emboutie, on peut déduire de la formule précédente la valeur de la contrainte a = 176MP, valeur convenable pour un métal dont la limite élastique est supérieure à 450 MP.

2907964 7 D'autres cathodes peuvent également être utilisées comme par exemple : les photocathodes éclairées impulsionnellement en synchronisme avec l'impulsion délivrée par le générateur (10) au moyen d'un laser ou d'un flash UV. Les cathodes froides souvent appelées exploding cathodes qui fonctionnent 5 uniquement en régime impulsionnel par explosion de micropointes en surface sous l'effet d'un champ électrique supérieur à 250kV/cm. - Les cathodes à effet de champ ou à micropointes déjà utilisées dans une grande variété de tube afficheur plat à fluorescence. L'anode (1) a une forme d'assiette. Elle est serrée en sa périphérie entre les pièces (5) et (6) et 10étanchée au moyen d'un joint métallique réalisé en un métal mou (Pb, In, Su, etc...). Elle peut être réalisée par dépôt d'une couche de titane sur substrat métallique, éliminé ensuite par dissolution sélective dans un acide convenable. Elle peut aussi être réalisée à partir d'une feuille mince de titane ou d'aluminium laminée puis emboutie. Le refroidissement de cette fenêtre est un point essentiel car le passage des électrons libère une énergie qui doit être évacuée. Ceci est 15réalisé par injection d'un flux d'air à très haute vitesse tangentiellement à la fenêtre au moyen d'une tuyère (6) alimentée en air comprimé convenablement filtré par les tuyaux (9). Pour mieux faire comprendre l'invention, il est intéressant d'établir ici le dimensionnement d'une machine particulière constituant, en quelque sorte un cas d'école, aux performances répondant au marché le plus important.

20Energie des électrons : elle peut être choisie dans le domaine 30 keV û 300 keV. On adoptera la valeur 60keV qui est un bon compromis performance/coût. Avec des électrons de 60 keV, la profondeur de pénétration dans l'air est de l'ordre de 40 mm, si on définit celle-ci à partir de l'homogénéité du dépôt d'énergie spécificique pris à 20%. L'énergie déposée dans une fenêtre en titane d'épaisseur 101.1m est égale à 10 keV, valeur 25déterminée à partir des tables de stopping power disponibles dans la littérature. Pour dimensionner le canon à électrons fonctionnant en impulsionnel, on se placera dans le cas le plus pessimiste qui est celui du traitement chimique (destruction des COV) où l'augmentation d'efficacité résultant du régime pulsé est inexistante. Dans ce cas, l'intérêt d'une machine pulsée telle que l'invention, se limite aux aspects 30technologiques, à savoir compacité, simplicité et faible coût. Choisissons, par exemple le cas d'une machine ayant une capacité de traitement de 400 m3/heure avec un objectif de destruction de 85% de l'amoniaque concentré dans l'air à 24ppm, ce qui peut être obtenu avec un traitement par décharge Corona, à condition de libérer dans l'air une énergie de 10W.h.m-3 ,ce qui correspondrait à une dose de 25kGys, si toute l'énergie cédée au plasma 35était convertie en faisceau d'électrons. Or, on peut estimer que le rendement de conversion 2907964 8 d'énergie cédée au plasma/énergie reçue par les électrons ne dépasse pas 10%. C'est donc une dose de 2,5 kGys qui doit être déposée dans l'air. Le débit de l'air envisagé de 400 m3/h, soit un débit massique de 0,15 kg/s, nécessite une puissance moyenne déposée dans l'air de 0,15 x 2500 = 388W.

5Sii on dimensionne la machine pour que le diamètre moyen de la zone d'interaction faisceau/air (3) soit égal à 20 cm, on peut calculer en se souvenant que la longueur d'interaction a été fixée ci-dessus à 40mm, la vitesse moyenne V de l'air dans la zone (3) doit être égale à 4,4 m s'. Compte tenu de la diffusion des électrons dans l'air, l'épaisseur minimale de la zone (3) notée .àx sur la figure 2 peut être évaluée à environ 1 cm. Ainsi, si on veut avoir la certitude que tout 10élément de volume d'air reçoivent au moins deux impulsions, il faut que la fréquence de récurrence des pulses soit au moins égale à 880 Hz. En conséquence, et compte tenu de la perte de 10 keV dans la fenêtre, l'énergie par impulsion appliquée à la cathode doit être égale à 0,5 joule. Si on adopte une durée d'impulsion de 50 ns, l'intensité crête débitée par la cathode devra être 15égale à environ 143A. En résumé, la cathode devra être alimentée par une impulsion de 70kV ù 143A. La puissance dissipée dans la fenêtre par le faisceau d'électron est de l'ordre de 65W à laquelle il faut ajouter la puissance reçue par la cathode, évaluée à 1,66 W/cm2 soit environ 166W, ce qui donne une puissance totale à évacuer de 231W. Compte tenu de la surface de l'anode (ù100 cm2), il faudra évacuer environ 2,3 W par cm2 , ce qui est réalisé au moyen du 20déflecteur (6) permettant d'injecter sur la fenêtre un jet tangentiel à la vitesse de 15 à 20 m.S"' d'air convenablement filtré pour éviter toute projection de poussières sur la fenêtre où elles seraient chauffées par les électrons et provoqueraient l'apparition d'un point chaud de nature à percer la fenêtre (1). Avec une surface de cathode de l'ordre de 100 cm2 , la densité de courant crête émise est voisine de 1,4 A/cm2. Etant donné la faible valeur de cette densité de courant, la 25surface émissive peut être constituée par la juxtaposition d'une multitude de petites cathodes élémentaires réparties sur la surface avec un coefficient de remplissage de 0,2 à 0,4. Ce canon, de forme générale circulaire, traite un flux d'air qui présente une allure générale coaxiale, schématisée sur la figure 1. Le flux incident ti arrive par exemple sur la zone d'interaction sous forme annulaire extérieure et ressort sous forme du flux central cs. La 30transition entre ces deux flux s'effectue au niveau de la zone d'interaction (3) (voir figure 2) où la vitesse V devient radiale ce qui peut avantageusement provoquer des turbulences. Le canon peut être connecté au circuit de ventilation suivant une infinité de façon. Présentons-en deux à titre purement indicatif : • La figure 4 représente un système permettant de se connecter sur un circuit de ventilation 35 classique ayant des gaines rectangulaires. 2907964 9 • La figure 6 correspond au contraire au cas où le traitement de l'air s'effectue en toiture à travers un mur ou encore sous forme d'un recyclage d'air à proximité d'un process polluant au sein d'un bâtiment. Dans ce cas, la machine comporte un ventilateur (30) permettant d'assurer de façon autonome la circulation d'air. On notera que les flux sont 5 inversés par rapport au cas précédent et l'air traité est rejeté dans le bâtiment ou à l'extérieur après élimination d'éventuels composés indésirables (ozone, NOx, etc...) générés par l'ionisation, au moyen de catalyseurs et/ou de filtres (29). Comme le montre la figure 6, le système est très compact et peut donner lieu à des réalisations de petites dimensions pour applications domestiques par exemple. Sur cette figure, on reconnaît la 10 diode accélératrice et chambre de traitement (12), les amenées d'air frais filtré pour le refroidissement de la fenêtre (9), le générateur d'impulsion (8) et la pompe à vide (11). La commande électrique du système peut s'effectuer à distance, à l'extrémité d'un câble. L'accélération du faisceau d'électrons est réalisée en appliquant une tension négative sur la cathode tandis que, pour des raisons évidentes de sécurité, l'anode est maintenue au potentiel de 151a terre. Cette tension peut être continue ou, plus avantageusement, impulsionnelle car, comme il a été dit plus haut, l'action de stérilisation est beaucoup plus efficace lorsque le dépôt d'énergie dans la matière est impulsionnel. Cet avantage disparaît dans tous les cas où une réaction chimique, d'oxydation par exemple, est recherchée. Notons toutefois que le régime impulsionnel reste avantageux car il autorise certaines simplifications à caractère technologique comme par 20exemple en matière d'isolateur à haute tension et de la prévention contre les claquages sous vide, tout en réduisant le coût du générateur de haute tension. De nombreux générateurs de haute tension peuvent être envisagés pour alimenter la cathode. Citons en quelques uns : les générateurs de Marx, les systèmes à ligne de mise en forme, simples ou Blumlein , avec switching par éclateur ou par thyristors, les transformateurs à câble, les 25générateurs à transformateur à haute tension attaqués par IGBT, etc... Dans l'exemple de réalisation, donné à titre indicatif et bien entendu nullement limitatif, représenté en figure 5, nous décrivons un système additionneur de tension par induction encore appelé transformateur à noyau fractionné dont on peut comprendre le fonctionnement en se reportant à la figure 5. Le plateau porte-cathode (7) est relié à une extrémité d'un conducteur 30(18) immergé dans le vide. L'autre extrémité de (18) est reliée à la terre par le plateau métallique (28) et par une couronne de tiges conductrices (19) qui relient (28) à l'enceinte à vide (12) dont le potentiel est maintenu à la terre. A l'extérieur du conducteur central (18) se trouve un tube isolant en verre, alumine ou autre céramique (23), étanché aux deux extrémités par des joints avantageusement métalliques de façon à fermer l'enceinte à vide sur une pompe (11) 35turbomoléculaire ou ionique permettant de faire le vide autour de la cathode (2) grâce à la 2907964 10 10 présence de l'anode ou fenêtre (1) et à diverses pièces métalliques (4), (6), (12)... Autour du tube isolant (23) sont disposés coaxialement des tores ferromagnétiques (21) qui sont en nombre suffisant pour multiplier la tension élémentaire Vo appliquée sur la spire 22 entourant chaque tore. Cette tension est délivrée par un câble coaxial (20), lui-même connecté à un générateur 5d'impulsion élémentaire (27). Ainsi, chaque noyau est alimenté individuellement par autant de générateurs et de câbles. Comme on peut le voir, l'ensemble de ces noyaux ferromagnétiques, constitués par des ferrites ou par du matériau feuilleté amorphe, est entouré par une spire de grande dimension formée par le conducteur central (18), le plateau arrière (28) et la couronne de tirants (19). Le flux 10magnétique de cette spire, équivalent à un secondaire de transformateur, est égal au flux élémentaire de chaque noyau, multiplié par le nombre de noyaux. Ainsi le système se comporte comme un multiplicateur de tension. Diverses considérations théoriques permettent de montrer que ce système peut être extrêmement rapide et donc capable de délivrer des impulsions brèves, disons de quelques dizaines de nanosecondes à quelques microsecondes. Pour que l'accélération 15du faisceau puisse avoir lieu, il faut que la tension collectée par la boucle, qui vient d'être décrite, soit effectivement appliquée entre la cathode (2) et l'anode (1). Cet ensemble constitue ce qu'on conviendra d'appeler une diode . Comme on peut le voir sur la figure 5, ceci est réalisé grâce au porte-cathode (7) et à l'enceinte à vide métallique (12) prolongée par le support d'anode (6).

20Si on se place dans le cas pratique évoqué plus haut, la tension de la cathode devra être de 70 kV pendant 50ns. Admettons que le nombre de noyaux magnétiques soit égal à 10, il en résulte que les générateurs d'impulsion élémentaires (27) devront délivrer une force électro-motrice de 7kV. On a vu que le courant de la cathode, pour l'exemple choisi, était de 140A. Il en résulte que l'impédance du câble d'alimentation (20) devra être de 50 ohms. Les générateurs d'impulsion 25élémentaires (27) devront donc délivrer une impulsion de 7 kV négative sous 50 S2 avec une durée de 50ns. Ils devront en outre être capables de supporter tout claquage accidentel qui pourrait intervenir dans la diode. Pour ce faire, différents types de générateur peuvent être envisagés, par exemple un système à ligne à retard de 50 S2 chargé impulsionnellement à 14 kV etdéchargé par une chaîne d'IGBT rapides ou de MOS FET capables de supporter 30accidentellement un courant de court-circuit de 280A. Suivant un autre mode préféré de réalisation de l'invention, donné là encore à titre indicatif et bien entendu nullement limitatif, le canon à électron est alimenté en continu par une tension pouvant aller de 20 à 200 kV ainsi que schématisé sur la figure 7. Comme précédemment, la fenêtre (1) a la forme d'une fraction de tore. Elle est supportée par 35deux parois (31) et (32) constituant l'enceinte à vide. La paroi (31) a la forme d'un disque fixé en 2907964 11 son centre sur la colonne d'isolateurs (31) réalisée par l'empilement de tronçons en verre ou en céramique. L'étanchéité au vide étant avantageusement obtenue par des scellements verre/métal ou céramique/métal. Au centre de l'empilement, la colonne supporte deux tôles métalliques embouties (35) et(36). L'une (35) porte mécaniquement la cathode (2) au moyen de supports 5isolants (37) et constitue l'un des conducteurs permettant d'alimenter le chauffage de la cathode tandis que l'autre (36) constitue le conducteur de retour de l'alimentation de la cathode. Le courant débité par la cathode peut aller de 10mA à 1A. Elle peut être réalisée au moyen de filaments en tungstène torés ou par une cathode à oxydes. Autour de la cathode sont disposées des électrodes (38) et (39) permettant le contrôle des trajectoires électroniques afin de répartir l0aussi uniformément que possible la densité du courant sur la fenêtre (1). La cathode est polarisée en haute tension par les câbles (33) et (34) qui sont connectés sur les disques métalliques (35) et (36). Cette connection est effectuée au centre des isolateurs (30) dans un espace rempli d'huile. La tension d'alimentation de la cathode est obtenue grâce à une différence de potentiel entre l'âme des câbles (33) et (34). Celle-ci peut être réalisée au moyen 15d' une induction utilisant un système analogue à celui schématisé sur la figure 8. Le câble à haute tension (40) est relié à une alimentation continue classique. Son âme est connectée aux âmes des deux câbles (33) et (34). L'un de ces derniers, par exemple le câble (34) traverse un noyau (43) en ferrite ou en fer feuilleté, excité par un bobinage primaire (44) à une fréquence de 1000Hz par exemple. Le potentiel moyen du primaire est voisin de celui de la terre. L'ensemble du circuit est 20immergé dans de l'huile contenue dans le réservoir métallique (41) et maintenu au potentiel de la terre. Contrairement aux canons pulsés précédents, la diode (1) (2) n'a pas une géométrie focalisante puisque seules les applications de réactions chimiques sont visées. Dans ce cas, ainsi qu'il a été dit plus haut, seule la dose est déterminante. En sortie de cathode, on laisse donc diverger le 25faisceau d'électrons qui, après traversée de l'anode (1), provoque une zone d'interaction (3) diffuse. L'invention peut être utilisée dans le cas de traitement d'air suivant : - production d'air stérile, pour protéger par rideau laminaire, une table d'opération ou un lit de malade. 30 -Production d'air stérile pour des hottes à flux laminaire destinées aux laboratoires médicaux ou de biologie. Production d'air stérile pour la ventilation des hôpitaux ou de bâtiments divers. Protection des militaires sur les zones de combat contre les armes à aérosols biologiques ou les gaz de combat. 35 - Incinération à froid des gaz issus de la ventilation des locaux industriels.

2907964 12 Destruction des gaz dangereux rejetés par certains process de production (silane). Ventilation locale avec recyclage de l'air auprès des machines d'imprimerie ou autres séchages dégageant des vapeurs de solvants. Elimination de diverses molécules dangereuses (furanes, dioxynes) présentes dans les 5 cheminées d'incinérateurs. Purification des fumées de moteurs ou de brûleurs. Elimination du risque d'explosion dans les locaux où des aérosols explosifs (farine) sont dispersés dans l'air. Il convient de noter que l'invention est source d'économie d'énergie car : 10 1) elle permet d'éviter des ventilations grâce au recyclage de l'air 2) l'incinération à froid qu'elle permet de réaliser est très économe en énergie par rapport aux systèmes à gaz.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1. Canon à électrons comprenant : une enceinte à vide (12) - une cathode (2) chaude ou froide ou à effet de champ située en regard de l'anode (1). Une anode métallique constituant une fenêtre étanche apte à laisser passer les électrons au potentiel de la terre Des moyens de polarisation continue ou impulsionnelle (18) et (25) pour établir entre la cathode et l'anode une tension permettant d'accélérer les électrons qui forment un faisceau traversant l'anode. Ce canon à électrons étant caractérisé en ce que l'anode et la cathode ont une surface courbée dans les deux sens, avantageusement de forme torique, convenable pour accélérer un faisceau tubulaire, cylindrique ou conique.

2. Canon à électrons selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau d'électrons est utilisé pour le traitement de l'air, soit pour sa stérilisation par action mutagène sur l'ADN des polluants microbiologiques, soit par réactions chimiques d'oxydation ou de réduction résultant de dissociations des molécules 02 ou N2 par exemple en vue d'incinérer à froid les molécules d'hydrocarbure polluant l'air.

3. Canon à électrons suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2 dans lequel la tension d'accélération établie de façon continue ou impulsionnelle entre anode et cathode peut aller de 30 à 300 keV.

4. Canon à électrons suivant l'une quelconque des revendications de 1 à 3 dans lequel les moyens de polarisation de la cathode sont prévus pour obtenir une tension anode/cathode pulsée en vue d'obtenir une accélération des électrons en mode pulsé.

5. Canon à électrons suivant l'une quelconque des revendications de 1 à 4 dans lequel les moyens de polarisation impulsionnels de la cathode en polarité négative sont fondés sur le principe de l'addition de tensions par induction et comprennent - une série d'inducteurs (21) et (22) excités individuellement par autant de générateurs d'impulsion (27), de tension Vo relativement faible, via une série de câbles coaxiaux (20) empilés axialement autour d'un tube isolant (23) étanche au vide. Une boucle formant secondaire constituée par le conducteur central (18), la plaque métallique arrière (28), les tirants (19) l'enceinte (12), l'anode (1) et le porte-cathode (7), aux bornes de laquelle boucle, c'est à dire entre anode et cathode, est induite une tension égale à nVo, si n représente le nombre d'inducteurs. 2907964 14 Des moyens (25), (26), (43) et (44) permettant de réaliser le chauffage de la cathode dans le cas où elle est de type à oxydes ou dispenser .

6. Canon à électrons suivant l'une quelconque des revendications 4 ou 5 caractérisé en ce que les impulsions appliquées à la cathode sont très brèves avantageusement de durées 5 comprises entre 20 et 200 ns.

7. Canon à électrons suivant l'une quelconque des revendications de 1 à 6 caractérisé en ce qu'il est utilisé soit pour stériliser l'air, soit pour détruire les odeurs, soit pour éliminer tous composés organiques volatiles (COV) polluant l'air, soit encore pour détruire des gaz dangereux tels que rejetés par certains process industriels ou autres gaz asphyxiants 10 ou de combat.

8. Canon à électrons suivant l'une quelconque des revendications de 1 à 7 caractérisé en ce qu'il comporte au moins un catalyseur ou filtre convenable, pour l'élimination de molécules indésirables qui pourraient apparaître consécutivement à l'interaction du faisceau d'électrons avec l'air.