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"ACCELERATEUR DE PARTICULES"
La présente invention se rapporte à un accélérateur de particules, en
particulier un accélérateur d'électrons.
Depuis plus de 100 ans, les propriétés particulières des rayons X sont
utilisées dans des applications très variées. En effet, ces rayonnements
ont la particularité de pouvoir traverser la matière, le taux d'absorption
dépendant à la fois de l'épaisseur et de la nature du matériau traversé.
Ainsi, si l'on soumet un objet quelconque à un rayonnement X, et si l'on
utilise un dispositif permettant de reconstituer point par point le niveau de
dose recueilli derrière cet objet, on peut ainsi obtenir des informations
quant à sa nature interne, ses éventuels défauts invisibles de l'extérieur,
ou les éventuelles inclusions de matériaux étrangers.
L'application la plus connue est bien sûr la médecine, mais les rayons X
sont également largement utilisés dans l'industrie pour la détection de
défauts ou de corps étrangers, ainsi que dans le domaine de la sécurité
afin d'examiner le contenu de bagages ou de colis divers.
Bien que ces techniques aient fortement évolué au cours du temps, les
principaux moyens mis en oeuvre pour générer des rayons X sont
toujours les mêmes . Ils comportent toujours (figure 1 ) au moins deux
électrodes, l'anode (a) et la cathode (b), entre lesquelles un dispositif
générateur de haute tension (I) permet d'appliquer une différence de
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potentiel élevée (plusieurs dizaines, voire plusieurs centaines de
kilovolts). La cathode (b) est à un potentiel négatif par rapport à l'anode
(a). La cathode (b) comporte en outre un dispositif (généralement un
filament (f) porté à environ 2000°C) permettant de fournir une énergie
initiale à des électrons qui, accélérés par le champ électrique, vont
constituer un faisceau (d) circulant à une vitesse importante en direction
de l'anode (a). Lorsque ces électrons (d) l'atteignent, leur décélération
brutale libère une énergie, dont la plus grande partie se transforme en
chaleur, tandis que quelques pour-cent sont convertis en rayonnement
X.
Ce dispositif ne peut fonctionner que si les électrons sont totalement
libres de se déplacer, d'où la nécessité de le placer dans une enceinte
sous vide. Puisque cette enceinte relie physiquement l'anode et la
cathode, elle devra comporter un isolant permettant de supporter
l'importante différence de potentiel existant entre ces deux électrodes.
Sur la figure 1, l'isolant est constitué par du verre (c).
D'autre part, la partie extérieure du système étant soumise à des champs
électriques élevés, elle doit étre plongée dans un milieu isolant liquide ou
gazeux, par exemple de l'huile isolante ou encore de l'hexafluorure de
soufre (SF6) sous pression. Cet isolant est contenu par une enceinte (m)
qui est mise à la terre.
L'isolant des tubes à rayons X a toujours constitué l'un de leurs
principaux points faibles.
D'une part, le vide constitué dans l'enceinte du tube ne pouvant être
parfait, le faisceau d 'électrons (d) peut rencontrer des molécules
résiduelles et les ioniser, créant ainsi des électrons " vagabonds " (g) qui
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peuvent se déposer sur l'isolant (c) et le charger électriquement, les
propriétés de cet isolant empéchant ces charges de s'évacuer
rapidement. Le champ électrique sur l'isolant (c) peut alors atteindre
localement des valeurs suffisamment élevées pour rendre instable le
courant cathodique par effet de grille, et parfois méme détruire l'isolant.
D'autre part, le potentiel entre l'anode (a) et la cathode (b) n'est jamais
uniformément réparti. La figure 1 montre la localisation approximative
des lignes équipotentielles (e) dans cette configuration particulière. On
voit que la plus grande partie des ces équipotentielles sont localisées en
face de l'espace anode-cathode. Le champ électrique sur l'isolant n'étant
dès lors pas uniforme, il est nécessaire de lui donner une longueur
importante pour lui permettre de résister à la contrainte diélectrique à
laquelle il est soumis.
Le marché étant demandeur de générateurs de plus en plus puissants
dans des volumes réduits, différentes techniques ont été développées
afin de progresser dans ce sens.
Une première amélioration (figure 2) consiste à déplacer l'isolant (c) dans
une zone ou il est moins exposé aux électrons vagabonds. Dans ce cas,
l'isolant ne se trouve plus dans l'espace anode-cathode, mais il est
constitué d'un disque entourant la cathode. L'enceinte du tube est alors
fermée par une enveloppe métallique (h) mise à la terre. On voit que les
électrons (g) produits par l'ionisation des molécules passant dans le
faisceau ne peuvent plus atteindre l'isolant (c) de façon directe. Par
contre, ils peuvent toujours heurter l'enveloppe (h) et générer des
électrons secondaires Q) qui peuvent atteindre l'isolant (c). Cette solution
constitue certes une amélioration par rapport à la configuration de base
de la figure 1. Cependant, l'analyse des équipotentielles (e) montre que
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la tension n'est toujours pas répartie de façon uniforme, ce qui ne permet
pas d'obtenir des potentiels élevés dans des encombrements réduits.
D'autre part, l'isolant n'est toujours pas parfaitement à l'abri des
électrons vagabonds, ce qui impose de recourir à des solutions
compliquées et coûteuses pour le protéger.
Une autre amélioration par rapport à cette dernière (brevet US-A-
5.426.345, figure 3) consiste à diviser l'isolant en deux parties (c1, c2)
séparées par une électrode intermédiaire (k), connectée à un potentiel
choisi de façon à optimiser la répartition de la tension le long de cet
isolant. Ce potentiel intermédiaire peut être obtenu par exemple en
réalisant un diviseur résistif, ou encore en connectant cette électrode à
un des étages d'un multiplicateur de tension (I). Cette solution permet de
réduire l'encombrement de l'isolant, bien qu'il reste assez important,
mais ne résout en rien le problème des électrons vagabonds.
Le multiplicateur de tension (I) est un générateur de tension réalisé
suivant le schéma bien de connu de Cockroft-Walton. II s'agit d'un
assemblage d'un certain nombre d'étages constitués de diodes et de
condensateurs, et dans lequel la tension s'élève progressivement en
passant d'un étage à l'autre. Les figures 4a, 4b et 4c montrent quelques
configurations possibles pour la réalisation de ce type de schéma (dans
ce cas un multiplicateur à 4 étages). De nombreuses variantes peuvent
être trouvées dans la littérature.
L'utilisation d'un tel multiplicateur a permis de réaliser une autre solution
(brevet US-A-5.191.517, figure 5). Elle consiste à laisser l'isolant (c) dans
l'espace anode-cathode, et à le diviser en autant de sections qu'il y a
d'étages dans le multiplicateur. Les électrodes intermédiaires (k)
séparant ces sections sont alors connectées aux différents potentiels
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présents le long du multiplicateur. Les équipotentielles (non
représentées) sont en fait des lignes perpendiculaires à l'axe du tube et
passant par les électrodes (k). Cette solution permet donc d'obtenir une
répartition de la tension pratiquement idéale, donc une longueur d'isolant
extrêmement réduite. Par contre, le problème des électrons vagabonds
reste entier, et d'autre part, le multiplicateur (I) se trouvant sur la partie
extérieure de l'isolant, le diamètre extérieur de l'ensemble augmente
rapidement dès que la puissance à fournir devient importante, ce qui est
un handicap dans la plupart des applications.
La solution constituant l'invention est la suivante (figure 6)
l'isolant (c) est disposé dans le prolongement de la cathode. Plus
particulièrement, l'ensemble formé par l'isolant et le multiplicateur de
tension s'étend à l'intérieur de l'enceinte (h) selon l'axe central dans le
prolongement de la zone formée par l'anode et la cathode (b). II est ainsi
situé dans une zone où la probabilité qu'il soit heurté par un électron
vagabond est considérablement réduite, voire pratiquement nulle.
Un exemple de multiplicateur de tension pouvant être utilisé dans le
dispositif selon la figure 6 est illustré à la figure 4c. En effet, ce
multiplicateur comporte sept étages et illustre schématiquement
comment les différentes électrodes k1 à k6 sont reliées aux différents
étages du multiplicateur.
L'isolant est donc divisé en autant de parties qu'il y a d'étages dans le
multiplicateur alimentant le tube, exactement comme dans la forme de
réalisation illustrée à la figure 5. La différence essentielle est que dans la
présente invention le multiplicateur de tension va se trouver à l'intérieur
du volume comprenant le tube à rayons X, ce qui va permettre une
réduction extrêmement importante des dimensions de l'ensemble, en
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particulier du diamètre extérieur. En d'autres mots, le multiplicateur de
tension est logé à l'intérieur de l'élément isolant.
La raison de cette réduction des dimensions apparait clairement en
comparant les figures 3 et 6. Sur la figure 3, représentant la solution
connue, on voit que les équipotentielles doivent être très espacées le
long du rayon passant par l'isolant, et ce pour réduire le champ
électrique auquel il est soumis.
Par contre, sur la figure 6 représentant l'invention, on voit que toutes les
zones soumises à un champ électrique élevé, c'est-à-dire où les
équipotentielles sont très serrées, se trouvent dans le vide, capable de
supporter beaucoup plus aisément ces contraintes. L'isolant, par contre,
se trouve réparti le long du multiplicateur, soit dans une zone où les
équipotentielles sont parfaitement réparties. C'est ce qui permet de
réaliser un système de diamètre beaucoup plus réduit que dans toutes
les solutions existantes, tout en réduisant fortement les contraintes et en
augmentant ainsi la fiabilité.
La forme des électrodes intermédiaires doit être étudiée avec soin, de
façon à réduire autant que possible le champ électrique, et à protéger au
maximum l'isolant des électrons vagabonds résiduels.
La figure 7 (a, b, c) représente trois exemples de formes de ces
électrodes. Des calculs par éléments finis montrent que la solution de la
figure 7c, à savoir celle où les électrodes comprennent chacune un bout
extrême s'étendant parallèlement à une paroi de l'enceinte, est celle qui
permet au mieux de réduire le champ électrique tout en assurant une
protection optimale de l'isolant.
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Cette configuration présente un autre avantage essentiel. En effet, si l'on
considère les électrodes intermédiaires k1 à k6 de la figure 6, on
constate que ces électrodes présentent une capacité vis-à-vis de la paroi
du tube. En se référant au schéma de la figure 4c, on constate que cette
capacité remplit exactement la fonction des condensateurs connectés à
la masse, sur la partie inférieure du schéma. En d'autres mots, un
condensateur est formé entre chaque électrode et la masse. Ces
condensateurs peuvent dès lors étre utilisés pour réaliser un
multiplicateur de tension. II n'est donc pas nécessaire de placer ces
condensateurs dans le multiplicateur proprement dit, d'où une économie
d'encombrement et de prix de revient.
La présente description est faite sur base d'un multiplicateur de tension.
D'autres équivalents techniques entrent également dans le cadre de
l'invention.
On peut donc encore ajouter que la configuration décrite pourrait être
utilisée avec un dispositif autre que le multiplicateur de tension, pourvu
que ce dispositif permette la mise à potentiel des différentes électrodes
intermédiaires. II pourrait s'agir, par exemple, d'un diviseur de tension
résistif, ou encore de transformateurs disposés en cascade.
