Accélérateur électrostatique d'électrons

La présente invention a pour objet un accélérateur électrostatique d'électrons. Elle s'applique notamment mais non exclusivement à la stérilisation, à la désinfection, à la débactérisation par rayonnements ionisants.

Dans ces applications, mais aussi pour polymériser des résines, ou pour effectuer des traitements de surface, on utilise de manière connue des accélérateurs électrostatiques à faisceau continu d'électrons.

De tels dispositifs sont par exemple commercialisés sous le nom commercial de DYNAMITRON par la société américaine RDI. Ils utilisent un multiplicateur de tension continue de type Greinacher pour répartir la tension d'accélération le long d'un tube accélérateur relié à un canon à électrons. Selon le type d'accélérateur et l'intensité du faisceau d'électrons, ce multiplicateur délivre une tension continue comprise dans une gamme allant approximativement de 100 kV à 10 MV.

La figure 1 représente schématiquement un multiplicateur de tension continue de type Greinacher tel qu'on le trouve dans les dispositifs connus.

Ce multiplicateur est alimenté par une tension alternative VE ayant une fréquence pouvant aller usuellement jusqu'à 100 kHz et délivrée par un générateur de signal électrique de haute fréquence 10. La tension VE présente une amplitude Vo.

Le multiplicateur de type Greinacher comprend deux colonnes comportant un nombre égal de condensateurs 12, 14 : la première 11, communément appelée colonne variable ou alternative, comporte les condensateurs 12 reliés entre eux en série ; elle est connectée à sa base au générateur de signal électrique de haute fréquence 10. La seconde 13, communément appelée colonne fixe ou continue, comporte les condensateurs 14 reliés en série ; sa base est portée au potentiel de masse. La capacité des condensateurs est déterminée en fonction de la valeur désirée du courant débité par le multiplicateur lorsqu'il est en charge, de la valeur désirée de l'ondulation relative résiduelle et de la valeur de la fréquence de fonctionnement déterminée par le générateur de signal de haute fréquence 10.

Une série de diodes 16 aptes à supporter une tension inverse égale à 2Vo relie les deux colonnes 11, 13 de manière telle que chacun des condensateurs 14 appartenant à la colonne continue 13 se charge à une tension égale à 2Vo. Les condensateurs 12 de la colonne alternative 11 se chargent aussi à la tension 2 Vo excepté celui connecté au générateur 10 qui se charge à la tension Vo.

Le multiplicateur de type Greinacher comporte plusieurs étages reliés entre eux en série ; chaque étage est formé d'une pompe à diodes réalisée par deux diodes 16 reliées en série et dans le même sens passant. Entre ces deux diodes 16, on connecte une armature d'un condensateur 12 alors que l'autre armature est soumise à une tension périodique. La sortie de la pompe à diode, en tension continue, s'effectue en paralléle aux bornes d'un condensateur 14 reliées aux extrémités de la chaîne formée par les deux diodes 16 reliées entre elles en série.

L'orientation des diodes détermine le signe de la tension de sortie Vs du multiplicateur. Dans l'exemple représenté, Vs est positive.

Si N est le nombre d'étages du multiplicateur (N=5 dans l'exemple représenté), la tension de sortie Vs à laquelle est portée l'extrémité de la colonne continue 13 est déterminée par la relation : Vs=2NVo.

Les accélérateurs commercialisés par la société RDI utilisent donc de tels multiplicateurs de type Greinacher. Ces derniers sont alimentés par un signal électrique de fréquence avoisinant les 100 kHz.

D'autre part, les multiplicateurs de type Greinacher sont contenus dans des enceintes pressurisées permettant de rendre les accélérateurs compacts.

Malgré tout, les accélérateurs connus sont très encombrants et leur mise en oeuvre est complexe. De plus, ces dispositifs sont coûteux.

La présente invention pallie ces inconvénients.

Pour cela, elle préconise l'emploi d'un signal électrique ayant une fréquence contenue dans une gamme allant de 0,5 à 1 Mhz pour alimenter le multiplicateur de Greinacher. Ce dernier est formé de condensateurs à air ou analogue et coptenu dans une enceinte pressurisée.

De manière plus précise, la présente invention concerne un accélérateur électrostatique comprenant :

- un canon à électrons,

- une première source d'alimentation électrique connectée au canon à électrons,

- un tube accélérateur aligné suivant un axe AA et contenant des diaphragmes conducteurs équidistants, ce tube accélérateur étant relie au canon à électrons,

- un multiplicateur de tension continue de type Greinacher relié au tube accélérateur et comprenant :

une première colonne de condensateurs,

une seconde colonne de condensateurs,

des diodes reliant la seconde colonne de condensateurs à la première pour former plusieurs étages de pompes à diodes reliés entre eux en série,

- un générateur de signal électrique de haute fréquence connecté au multiplicateur de tension de type Greinacher et comprenant :

un générateur de signaux électriques carrés, et

un circuit résonant connecté en série au générateur de signaux électriques carrés.

Selon un mode de réalisation préféré de l'accélérateur conforme à l'invention, le canon à électrons, la première source d'alimentation, le multiplicateur de tension de type Greinacher et une partie du tube sont contenus dans une enceinte pressurisée ; la première colonne de condensateurs est réalisée par des électrodes en forme de coupelle dessinant sensiblement un U en coupe, ces électrodes étant imbriquées les unes dans les autres, centrées sur l'axe AA et réparties à égale distance les unes des autres selon cet axe AA ; la seconde colonne de condensateurs est réalisée par des électrodes en forme de coupelle dessinant sensiblement un U en coupe et percée en son centre, ces électrodes étant imbriquées les unes dans les autres selon l'axe AA et réparties le long du tube accélérateur d'électrons en connexion avec des diaphragmes conducteurs de ce tube, les électrodes formant les condensateurs de la première colonne ayant leur concavité en regard de la concavité des électrodes formant les condensateurs de la seconde colonne, le gaz sous pression contenu dans l'enceinte jouant le rôle de diélectrique pour les condensateurs des première et seconde colonnes.

L'enceinte contient un gaz sous pression choisi préférentiellement parmi le SF6 ou le fréon.

Selon une variante de réalisation, le circuit résonant du générateur de signal électrique de haute fréquence est aussi contenu dans l'enceinte pressurisée.

Le circuit résonant comprend une bobine connectée en série à un condensateur. De manière préférée, l'enceinte constitue une première électrode de ce condensateur et l'électrode la plus extérieure de la première colonne constitue la deuxième électrode de ce condensateur.

Préférentiellement, la bobine est constituée par un enroulement de deux canalisations sensiblement coaxiales, la première, externe, étant conductrice, la deuxième, interne, étant réalisée en matériau isolant, une extrémité de la canalisation externe étant fermée de manière à permettre à un fluide de refroidissement de circuler entre les deux canalisations après avoir circulé dans la canalisation interne.

Chaque diode est avantageusement constituée d'un ensemble de diodes élémentaires connectées entre elles en série par l'intermédiaire de feuilles conductrices avec lesquelles les diodes élémentaires sont en contact électrique et entre lesquelles les diodes élémentaires sont maintenues de manière à former un empilement,

chaque feuille conductrice étant percée d'au moins un trou,

des moyens isolants solidarisant les feuilles conductrices entre elles,

des espaceurs isolants séparant les feuilles conductrices,

une gaine thermorétractable entourant l'empilement, un tube résistif entourant la gaine thermorétractable en maintenant l'empilement.

Selon une caractéristique secondaire de l'accélérateur conforme à l'invention, ce dernier comprend un circuit de refroidissement des diodes comportant un moteur hydraulique connecté à un alternateur, cet alternateur étant connecté à la première source d'alimentation électrique.

On peut de cette manière éviter la multiplication des câbles électriques sortant de l'enceinte et rendre le dispositif d'autant plus compact.

De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux après la description qui suit donnée à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels :

• - la figure 1, déjà décrite, représente schématiquement un multiplicateur de tension de type Greinacher réalisé de manière usuelle,
• - la figure 2 représente schématiquement une vue d'ensemble, en coupe, d'un accélérateur électrostatique d'électrons conforme à l'invention,
• - la figure 3 représente schématiquement une vue partielle, en coupe, de l'accélérateur électrostatique d'électrons conforme à l'invention,
• - la figure 4 représente schématiquement une autre vue partielle, en coupe, d'un accélérateur électrostatique d'électrons conforme à l'invention,
• - la figure 5 représente schématiquement une vue partielle, en éclaté, d'un empilement de diodes élémentaires réalisant une diode conformément à un mode de réalisation de l'invention,
• - la figure 6 repreprésente schématiquement un circuit réalisant un générateur de signal électrique de haute fréquence,
• - la figure 7 représente une vue en coupe d'une extrémité de la bobine utilisée dans un dispositif conforme à l'invention.

La description suivante est donnée en référence aux figures 2, 3 et 4 qui représentent, respectivement, une vue d'ensemble, en coupe, d'un accélérateur électrostatique d'électrons et deux vues partielles, en coupe, de ce dernier.

Une enceinte conductrice 20 contient un gaz, du SF6 ou du fréon par exemple, à une pression avoisinant les 8.10⁵ Pa. Elle se compose de trois éléments 22, 24, 26 assemblés hermétiquement. Elle présente une symétrie de révolution autour d'un axe AA qui est l'axe longitudinal de l'enceinte 20.

Cette enceinte 20 est séparée en deux parties communicantes par une plaque isolante 56 percée de trous 58 qui permettent l'égalité de pression dans la première partie formée par l'ensemble des éléments 22 et 24 et la seconde partie constituée par l'élément 26.

La partie de l'enceinte 20 formée par l'assemblage des éléments 22 et 24 contient un ensemble 21 constitué par un canon à électrons et sa source d'alimentation, le canon à électrons étant connecté à un tube accélérateur d'électrons 44 dont la tension d'accélération est répartie sur sa longueur par un multiplicateur de tension de type Greinacher.

La partie de l'enceinte 20 formée par l'élément 26 contient un circuit résonant connecté à un générateur 98 de signaux électriques carrés (situé à l'extérieur de l'enceinte 20). L'ensemble formé par le circuit résonant et le générateur 98 constitue un générateur de signal de haute fréquence alimentant le multiplicateur de tension de type Greinacher. Conformément à l'invention, la haute fréquence est contenue dans une gamme allant de 0,5 à 1 MHz.

Sur la figure 3, on a représenté plus particulièrement la partie de l'enceinte 20 formée par les éléments 22 et 24. Ceux-ci sont assemblés hermétiquement par des brides 28, 30 maintenues solidaires et enserrant un joint 36.

Le canon à électrons 40, connecté à une source d'alimentation électrique 42, est relié à un tube accélérateur d'électrons 42 aligné suivant l'axe AA. Ce dernier débouche, de façon étanche de l'enceinte 20 pour délivrer le faisceau d'électrons produit.

Le tube 44 contient des diaphragmes conducteurs 46 équidistants et connectés entre eux par des résistances 48. Dans la pratique, le tube lui-même est constitué d'un matériau résistif jouant le rôle de ces résistances.

La tension d'accélération est distribuée le long du tube 44 par un multiplicateur de tension de type Greinacher.

La première colonne de condensateurs du multiplicateur, ou colonne variable, est constituée, conformément à l'invention, d'une série d'électrodes 50 en forme de coupelle dessinant approximativement un U en coupe. Les électrodes 50 sont imbriquées les unes dans les autres selon l'axe AA. De plus, elles sont centrées et régulièrement réparties suivant cet axe.

A part la plus externe, les électrodes 50 sont percées en leur centre de manière à obtenir une égalité de pression dans toute la colonne.

Des espaceurs 52 isolants, en forme de cylindre, séparent les électrodes 50 les unes des autres tout en les maintenant.

Les espaceurs 52 et les électrodes 50 empilés sont percés d'orifices permettant le passage de tiges 54 (une seule tige est schématisée sur la figure 3) en matériau isolant. Ces tiges 54 sont fixées sur la plaque 56 séparant l'élément central 24 de l'élément terminal 26 (figure 2) ; les électrodes 50 et les espaceurs 52 sont enfilés alternativement sur ces dernières.

Comme on peut le voir sur la figure 4, l'électrode 50 la plus externe est maintenue entre un espaceur 52 et la plaque 56.

A nouveau en référence à la figure 3, la seconde colonne de condensateurs du multiplicateur, ou colonne fixe, est constituée selon l'invention d'une série d'électrodes 64 en forme de coupelle percée en son centre. En coupe, les électrodes 64 dessinent approximativement un U.

Les électrodes 64 sont, elles aussi, de manière symétrique à celles de la première colonne, imbriquées les unes dans les autres selon l'axe AA. La concavité des électrodes 62 de la seconde colonne est en regard de la concavité des électrodes 50 de la première colonne.

Le tube accélérateur 44 traverse les électrodes 64 de la seconde colonne par l'intermédiaire des orifices percés en leur centre. Chaque électrode 64 est électriquement reliée à un diaphragme conducteur 46 du tube 44.

Les électrodes 64 sont régulièrement réparties le long du tube 44. Elles sont séparées les unes des autres et maintenues par des espaceurs 66 cylindriques et en matériau isolant. En alternance avec les électrodes 64, ces espaceurs 66 sont enfilés sur des tiges 68 (une seule tige est symbolisée sur la figure 3) en matériau isolant par des orifices prévus à cet effet. Ces tiges sont fixées sur l'extrémité terminale de l'élément 22 de l'enceinte 20 et permettent de solidariser l'ensemble composé des électrodes 64 et des espaceurs 66.

Dans la réalisation représentée sur la figure 3, l'élément 22 présente aussi une forme de coupelle dessinant approximativement un U en coupe : cet élément 22 constitue l'électrode la plus externe pour la colonne fixe. L'élément 22 est porté au potentiel de masse ; la distribution du potentiel le long du tube accélérateur est donc croissante, en partant de l'extérieur vers l'intérieur de l'enceinte 20.

Le gaz sous pression contenu dans l'enceinte 20 joue le rôle de diélectrique pour les condensateurs.

L'extrémité de chaque électrode 50 et 64 des première et seconde colonnes est constituée par un renflement arrondi 62 qui permet de rigidifier la forme des électrodes.

Les extrémités des électrodes 50 de la première colonne sont connectées aux extrémités des électrodes 64 de la seconde colonne par l'intermédiaire de diodes 70 qui doivent supporter des tensions inverses au moins égales à 300 kV. Pour cette raison, on utilise avantageusement un empilement de diodes élémentaires pour constituer chacune des diodes 70.

La description qui suit est donnée en référence à la figure 5 qui représente schématiquement une vue partielle en éclaté d'un empilement de diodes élémentaires réalisant une diode 70.

Chaque diode élémentaire 72, du type "à avalanche contrôlée" comme celle fabriquée par la Société RTC sous la référence BYM26C par exemple, est soudée à l'étain par sa face inférieure sur une feuille conductrice 74, par exemple en alliage de cuivre et de béryllium et présentant une épaisseur d'environ 100 microns. Le diamètre d'une feuille conductrice 74 est par exemple d'environ 20 mm.

Chaque feuille conductrice 74 est accolée à une feuille isolante 76, par exemple en kapton ou en nylon, jouant le rôle d'espaceur. Chaque feuille isolante 76 est percée en son centre de manière à autoriser le passage d'une diode élémentaire 72 et permettre le contact électrique entre la face supérieure de cette dernière avec la feuille conductrice 74 supportant la diode élémentaire 72 suivante dans l'empilement. Ce contact est obtenu par pression mécanique. Les feuilles isolantes 76 rigidifient l'empilement et évitent les courts-circuits éventuellement dus à des défauts de planéité des feuilles conductrices 74. Les feuilles isolantes 76 présentent une épaisseur sensiblement égale à celle des diodes élémentaires, c'est-à-dire 300 microns, dans cet exemple de réalisation.

Deux tiges isolantes 78, 80 traversent de part en part l'empilement par des orifices pratiqués à cet effet dans les feuilles conductrices 74 et les feuilles isolantes 76. Ces tiges 78, 80 permettent le maintien de l'empilement.

La consolidation de ce dernier est obtenue au moyen d'une gaine thermorétractable 82 entourant l'empilement.

Enfin, pour solidifier l'empilement et permettre une répartition uni forme de potentiel le long de l'empilement, un tube résistif 84 entoure la gaine 82. Ce tube est connecté aux diodes élémentaires par contact avec les feuilles conductrices. Il peut être réalise en plastique chargé. de poudre de carbone.

Les diodes élémentaires 72 sont refroidies par une circulation de fluide pour laquelle le tube résistif 84 joue le rôle de canalisation. Chaque feuille conductrice 74 est percée de deux trous 86, 88 d'un diamètre de 5 mm par exemple, et permettant le passage du fluide de refroidissement. L'orifice percé dans les feuilles isolantes 76 est tel qu'il permet aussi la circulation du fluide de refroidissement entre les feuilles conductrices 74.

Pour supporter une tension inverse de 300 kV, un empilement formant une diode 70 comporte 500 diodes élémentaires 72 du type mentionné ci-dessus.

Dans l'exemple de réalisation décrit, dix diodes 70 sont nécessaires et comportent donc 5 000 diodes élémentaires.

De retour à la figure 2, on voit que les tubes résistifs 84 sont reliés entre eux pour former une canalisation du circuit de refroidissement.

Sur la figure 3, on voit plus précisément que le circuit de refroidissement des diodes 70 comporte une pompe 90 dispose à l'extérieur de l'enceinte. Cette pompe 90 délivre par exemple un débit de 0,1 l\s sous une pression de 9.10⁵ Pa. Elle met en circulation le fluide de refroidissement qui peut être par exemple de l'huile.

Le fluide parcourt deux spires 92 sensiblement jointives situées à l'extérieur de l'enceinte 20, à proximité de la partie extrême de l'élément 22 et s'enroulant autour de ce dernier. Ces spires 92 assurent le refroidissement du fluide, l'enceinte 20 jouant le rôle de dissipateur thermique (radiateur).

A la sortie de ces spires 92, le fluide parcourt une canalisation longeant l'élément 22 et pénétrant dans l'enceinte 20 en traversant la bride 28. Pour refroidir les diodes 70, il circule ensuite dans la canalisation formée par les tubes résistifs 84 reliés entre eux.

A la sortie de cette canalisation, le fluide en circulation actionne un moteur hydraulique 94, puis parcourt une canalisation qui le ramène à la pompe 90. Cette canalisation de retour traverse la succession d'électrodes 64 et d'espaceurs 66 par des orifices percés à cet effet pour ressortir de l'enceinte 20 par l'extrémité terminale de l'élément 22 ; cette disposition permet de réduire l'encombrement. La canalisation de retour est raccordée à la pompe 90 pour fermer le circuit de refroidissement.

Le moteur hydraulique 94 est connecté à un alternateur 96. Ce dernier fournit l'énergie électrique nécessaire au fonctionnement de la source d'alimentation 42 à laquelle il est connecté. De cette manière, on évite le transport de la haute tension nécessaire au canon à électrons 40 par des câbles provenant de l'extérieur de l'enceinte 20. Cela permet aussi de rendre l'accélérateur plus compact.

Les diodes 70 relient les condensateurs de la première colonne aux condensateurs de la seconde colonne de manière à réaliser des étages de pompe à diodes connectés en série : l'ensemble forme le multiplicateur de tension de type Greinacher. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 2, le multiplicateur possède cinq étages et permet d'obtenir des tensions de sortie pouvant aller jusqu'à 10 MV. La valeur de la tension de sortie dépend de la tension qui est appliquée au pied de la colonne variable du multiplicateur. Ce dernier est alimenté électriquement par un générateur de signal électrique de haute fréquence. Conformément à l'invention, cette fréquence est contenue dans une gamme allant de 0,5 à 1 MHz.

La description qui suit est donnée en référence aux figures 4, 6 et 7.

La figure 4 représente schématiquement une vue partielle d'un dispositif conforme à l'invention. Plus précisément, elle se rapporte à un mode de réalisation du générateur de signal électrique de haute fréquence dont la figure 6 représente un schéma électrique.

Le circuit de la figure 6 est un montage connu permettant d'obtenir un signal électrique possédant une fréquence contenue dans la gamme allant de 0,5 à 1 MHz. Il se compose d'un générateur de signaux électriques carrés connecté en série à un circuit résonant 100 comportant une bobine 102 d'environ 50 microhenrys par exemple reliée en série à un condensateur 104 d'environ 500 pF par exemple. Le générateur de signaux électriques carrés est réalisé par un circuit qualifié usuellement de "hacheur en demi-pont".

Les transistors T₁ et T₂ sont excités alternativement par une source d'alimentation non représentée de sorte que la tension VG appliquée à l'entrée du circuit résonant 100 est composée de créneaux d'amplitude Vo/2 (Vo est la tension d'alimentation de l'ordre de 300 V par exemple). La tension de sortie à la fréquence désirée est délivrée aux bornes du condensateur 104.

Sur la figure 4, on voit le générateur 98 de type "hacheur à demi-pont" connecté en série à la bobine 102 du circuit résonant grâce à une connexion étanche située au fond de l'élément 26.

L'élément 26 est assemblé hermétiquement à l'élément 24 par un jeu de brides 32, 34 maintenues solidaires et enserrant un joint 38. La plaque 56 est maintenue entre les éléments 24 et 26 de l'enceinte 20.

L'élément 26 fait partie intégrante du circuit résonant : il forme une électrode (portée au potentiel de masse) du condensateur ; l'autre électrode de ce condensateur est réalisée par l'électrode 50 la plus externe de la colonne variable du multiplicateur. Le gaz contenu dans l'enceinte 20 tient lieu de diélectrique pour ce condensateur.

L'élément 26 de l'enceinte 20 contient la bobine 102 du circuit résonant. Elle enroule ses spires autour de deux tiges isolantes 103, 104 fixées sur la plaque 56 et prenant appui sur le fond de l'élément 26. Ces tiges 103, 104 assurent le maintien en forme de la bobine 102.

La plaque 56 est percée d'un trou pour le passage de l'extrémité terminale de la bobine 102 maintenue en contact électrique avec l'électrode 50 la plus externe de la colonne variable du multiplicateur.

La puissance dépensée dans le circuit résonant peut avoisiner les 4 kW ; il est donc nécessaire de le refroidir pour assurer son bon fonctionnement.

Le refroidissement est obtenu par une circulation de fluide, par exemple de l'eau, à l'intérieur de la bobine 102.

La figure 7 représente schématiquement une vue en coupe de l'extrémité terminale de la bobine 102. Comme on peut le voir, cette bobine 102 se compose d'un enroulement de deux canalisations 108 et 110 sensiblement coaxiales.

La canalisation interne 108 est en matériau isolant alors que la canalisation externe 110 est en matériau conducteur.

Le fluide de refroidissement, par exemple de l'eau, est mis en mouvement par une pompe 106 (figure 4). Il circule à l'intérieur de la canalisation interne 108 jusqu'à son extrémité. La canalisation externe 110 est, quant à elle, fermée à son extrémité terminale. Le fluide circule alors entre les canalisations 108 et 110. Le sens de circulation du fluide est précisé par des flèches sur la figure 7.

Après avoir effectue un aller-retour dans la bobine 102, le fluide est recueilli dans un réservoir 112 situé dans le boîtier contenant le générateur 98. Ce réservoir 112 est relie à la pompe 106, ce qui permet de fermer le circuit hydraulique.

Le réservoir 112 est isolant ; il est situé à l'intérieur du boîtier contenant le générateur 98 de manière à faciliter la connexion de ce dernier avec la bobine 102 par l'intermédiaire de la canalisation extérieure 110.

Grâce à l'utilisation d'un signal électrique de fréquence très élevée pour aliménter un multiplicateur de tension dispose de manière originale dans une enceinte pressurisée, l'accélérateur électrostatique conforme à l'invention est très compact, son coût est réduit et son utilisation est simple.