Brevet FR2006152A1 — publié le 19691219

La présente invention concerne les fenêtres de sortie pour les électrons, et plus particulièrement une fenêtre ayant des caractéristiques supérieures pour le passage des particules atomiques de grande énergie et des électrons d'une région sous vide vers une région environnante se trouvant dans des conditions atmosphériques normales. L'invention concerne en particulier le refroidissement de la matière formant la fenêtre de sortie chauffée par le passage du courant de particules à travers la fenêtre de sortie. L'invention concerne aussi un support contre les contraintes mécaniques pouvant provoquer la rupture de la fenêtre soumise à la pression atmosphérique. L'invention est décrite à titre d'exemple en considérant les caractéristiques de structure et de fonctionnement d'un accélérateur d'électrons. D'une -façon générale dans un accélérateur d'électrons, un courant d'électrons formant un faisceau est émis par une cathode, et ces électrons sont accélérés dans un tube ou chambre à vide dans lequel est maintenu un vide poussé, et le faisceau d'électrons est dirigé pour sortir de la chambre à vide à travers une ouverture couverte par une fenêtre de sortie. Dans certains cas, le faisceau peut être soumis à un mouvement de balayage suivant une direction particulière de la fenêtre. La fenêtre a deux fonctions, elle ferme de façon étanche la chambre à vide par rapport au milieu ambiant et elle permet le passage d'une partie utilisable du faisceau d'électrons accélérés. La matière formant la fenêtre de sortie doit posséder une combinaison de propriétés essentielles, mais cependant cette combinaison est difficile à obtenir d'une façon optimale. La matière doit être imperméable à l'atmosphère, mais elle ne peut posséder cette propriété que sicle rE naté- riellement intacte et elle doit aussi laisser passer le faisceau d'électrons. Un clinquant métallique mince sans fissures, par exemple un cliquant d'aluminium ou de titane, peut être utilisé pour former la fenêtre de sortie. Cependant, certains effets ont tendance à limiter l'utilisation de ces clinquants métalliques minces et par suite la possibilité de l'utilisation de l'accélérateur. La totalité des électrons accélérés ne traverse pas la feuille métallique mince, et comme le faisceau est atténué par la feuille métallique, une partie de l'énergie du faisceau est dissipée dans la feuille sous forme de chaleur. Pour un faisceau donné la proportion d'énergie ainsi dissipée augmente avec l'épaisseur de la feuille. Ce chauffage existant particulièrement dans le cas des particules de plus grande énergie et des grandes intensités du faisceau a tendance à affaiblir la feuille et par suite à mettre en danger son intégrité matérielle et son imperméabilité pour le milieu atmosphérique.Les contraintes mécaniques résultant de la pression atmosphérique sur un seul côté de la feuille ont tendance aussi à réduire les possibilités de fonctionnement. La présente invention a pour objet de réduire substantiellement ces effets limitatifs. L'invention utilise un refroidissement voisin et direct de la matière formant la fenêtre de sortie et comporte un dispositif pour supporter mécaniquement la matière de la fenêtre. L'invention permet aussi d'améliorer les caractéristiques de la fenêtre de sortie au moins par allongement de la vie utile, par augmentation de la transmission d'un faisceau donné d'électrons accélérés de sortie et de la transmission des faisceaux d'électrons accélérés d'énergie supérieure et de grande intensité à travers une matière de in&commat;re de-nêtre d'uneisseur donnée du fait d'une fenêtre mince. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante donnée à titre d'exemple et fate en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue en perspective et partiellement en coupe d'un accélérateur d'électrons comportant une fenêtre de sortie selon un mode de mise en oeuvre de l'invention. - la figure 2 est une vue en perspective des différents éléments séparés de la fenêtre de sortie de la figure 1 et d'une partie de la section de balayage de l'accélérateur. - la figure 3 est une coupe suivant la ligne 3-3 de la figure 1, et - la figure 4 est une vue par une extrémité du châssis de la fenêtre de sortie des électrons. L'appareil représenté comporte un accélérateur d'électrons 10 comportant une cathode 11, une chambre à vide 12, un faisceau 13 d'électrons mis par la cathode 11, une section de balayage 14, une partie ou bride d'assemblage 15 solidaire de la section 14 comportant des trous 16 pour le passage des vis d'assemblage, un joint 17 et un ensemble de fenêtre 20 selon la présente invention comportant un châssis de fenêtre 30 définissant une ouverture entre les extrémités 31 et les côtés 32, le châssis comportant un certain nombre de trous 34 pour le passage des vis d'assemblage et des alésages 35 traversant les extrémités 31 pour le passage d'un conduit de circulation d'eau 40 supporté au milieu par un élément transversal 41 entre les côtés 32, une feuille métallique mince sans défauts 50, un joint 60, une bride 70 comportant des extrémités 71 et des côtés 72 définissant une ouverture 73 et comportant des trous de passage 74 pour les vis d'assemblage et des vis 80 et des écrous 81, la pression atmosphérique étant représentée par les flèches de la figure 3. Suivant un mode de mise en oeuvre préféré de l'invention, le châssis 30 de la fenêtre de sortie 20 a les mêmes dimensions générales en longueur et en largeur que la bride 15 de la section de balayage 14 (figure 1) et le joint 17 assure l'étanchéité entre le châssis 30 et la bride 15. Cependant, le châssis de la fenêtre 20 peut être d'une seule pièce avec la section de balayage 14. Ainsi qu'il ressort des figures 2 et 3, les extrémités 31 et les côtés 32 du châssis 30 définissent une ouverture rectangulaire longue 33. Le conduit 14 est situé dans l'ouverture 33 et il est pratiquement parallèle aux côtés 32 à égale distance des deux. Plusieurs supports transversaux 41 peuvent être prévus. Le conduit 40 peut traverser les alésages 35 des extrémités 31, de la façon représentée sur la figure 4, auquel cas un joint hermétique doit être établi entre les surfaces extérieures et les extrémités 31 du châssis. Les extrémités 71 et les côtés 72 de la bride 70 définissent une ouverture rectangulaire longue 73 (figure 2) et au moins la surface supérieure de la bride 70 a une forme correspondant à celle de la surface inférieure du châssis 30. Le joint 60, de préférence compressible, est un élément continu de forme rectangulaire correspondante et il est placé sur la surface supérieure de la bride 70 à l'intérieur par rapport aux trous 74. La feuille métallique 50 est appliquée sur le joint 60. Cette feuille 50 est serrée entre le joint 60 et la surface inférieure du châssis 30. Les trous 74 de la bride 70, 34 du châssis 30 et 16 de la bride 15 ont les mêmes diamètres et Sont alignés pour le passage des vis 80. L'ensemble comportant la bride 70, le joint 60, la feuille métallique 50, le châssis 30 et le joint 17 est fixé à la bride 15 par les vis 80 traversant les différents trous alignés 16, 34 et 74 avec les écrous 81 de la façon représentée sur la figure 3. Le serrage des écrous 81 des vis 80 rapproche le châssis 30 de la bride 70 et comprime le joint 60 contre le châssis 30, la feuille 50 interposée, et le joint 17 entre le châssis 30 et la bride 15 pour établir des joints hermétiques entre le châssis 30 et la bride 15 et entre la feuille 50 et le châssis 30. Les formes et les dimensions du joint 60, du conduit 40 et des arbramtg31 du châssis sont telles qu'après l'assemblage de la bride 70 du châssis 30 et de la bride 15 le conduit 40 et la feuille métallique 50 soient au moins au voisinage immédiat l'un de l'autre, ces deux éléments peuvent être en contact. En raison de la faible distance entre le conduit 40 et la feuille métallique 50 quand la feuille métallique 50 ferme de façon étanche l'extrémité de la section de balayage 14 et la chambre à vide 12 de 1 'accé- lérateur 10, quand le vide est établi dans la section de balayage 14, la pression atmosphérique représentée par les flèches 90 de la figure 3 fait fléchir la feuille métallique 50 pour la mettre en contact le long d'une zone définie avec le conduit 40, de la façon représentée sur la figure 3. De même, la feuille métallique 50 peut venir en contact avec les surfaces inférieures des supports transversaux 41 pour être supportée par ceux-ci. L'étanchéité entre l'élément constituant la fenêtre tel que la feuille mince en métal 50 et un châssis tel que le châssis 30 peut être assurée autrement qu'en utilisant un joint sans que l'on sorte de l'invention. Par exemple, la feuille mince en métal peut être soudée à la soudure tendre ou autrement au châssis pour assurer l'étanchéité. Le positionnement du joint 17 contre le châssis 30 et du joint 60 contre la bride 70 peut être facilité en formant à la surface supérieure du châssis 30 et à la surface supérieure de la bride 70 des rainures pour positionner les joints. Ces rainures doivent être continues et entièrement à l'intérieur par rapport aux trous 34 du châssis 30 et aux trous 74 de la bride 70. La profondeur de chaque rainure ne doit pas être suffisante pour empêcher l'établissement d'un joint hermétique entre les éléments correspondants. I1 doit être noté que suivant le mode de réalisation décrit, le conduit 40 est situé du côté de la feuille métallique 50 exposée au vide. Cette position à l'intérieur est avantageuse car elle permet le contact facile de la feuille 50 contre le conduit 40, le conduit supportant ainsi directement la feuille métallique 50 en s'opposant aux contraintes d'affaiblissement résultant de la pression atmosphérique agissant sur un seul côté de la feuille. Un autre fonction importante du conduit 40 est d'assurer le refroidissement de la feuille métallique 50 par conduction immédiate et directe pour empêcher l'affaiblissement de la feuille métallique mince 50 par échauffement. Un réfrigérant tel que de l'eau peut circuler à travers le conduit 40. Pendant le fonctionnement de l'accélérateur 10 et le passage du faisceau d'électrons 13 à travers la feuille métallique 50 et sa sortie de l'accélérateur à travers les ouvertures 33 et 73, la feuille métallique 50 et le conduit 40 étant en contact le long d'une zone définie, le faisceau d'électrons 13 traversant la feuille métallique 50 chauffe cette feuille, mais une partie substantielle de la chaleur est évacuée par le réfrigérant contenu dans le conduit 40.Ce refroidissement est particulièrement efficace parce qu'il a lieu par une partie non marginale chauffée de façon intense de la feuille métallique 50, alors que là dissipation de la chaleur est plus difficile à partir des zones marginales. Le refroidissement par le conduit est ainsi supérieur à celui ayant lieu par les parties marginales de la fenêtre et à travers le châssis de la fenêtre, et de même il est plus efficace que d'autres modes de refroidissement sans conduction directe. Le conduit 50 peut être un tube en cuivre à paroi mince, et il n'est pas nécessaire que sa section soit circulaire. Le conduit ou tube 40 peut par exemple avoir la forme représentée sur la figure 3, avec le grand axe perpendiculaire au plan général de la feuille métallique 50. Cette forme du tube 40 situé dans le châssis de la fenêtre de sortie réduit la proportion du faisceau d'électrons 13 arrêtée par le conduit 40. La position du conduit 40 à l'intérieur de l'appareil est avantageuse aussi parce qu'elle réduit la partie du faisceau d'électrons 13 arrêtée par ce tube de refroidissement, tandis que si le tube de refroidissement était placé à l'extérieur, une partie importante du faisceau d'électrons 13 serait arrêtée d'abord par la feuille métallique 50 et ensuite par le tube de refroidissement extérieur. Des parties autres que la fenêtre de sortie 20 de l'accélérateur 10 peuvent aussi être refroidies par une circulation d'eau, le conduit 40 pouvant être simplement une partie de ce circuit de refroidissement. De même, le conduit 40 peut être prolongé pour refroidir d'autres parties de la fenêtre 20, par exemple le châssis 30 qui aussi est chauffé. Le positionnement et les dimensions des supports transversaux tels que le support 41 peuvent être choisis pour que ces éléments présentent le minimum de surface au faisceau, en particulier quand le faisceau drélec- trons a un mouvement de balayage suivant une-direction de la fenêtre - Ces éléments transversaux peuvent par exemple être inclinés pour que le faisceau passe à côté dans des directions sensiblement tangentielles. Le châssis 30 peut être avantageusement en cuivre et la bride 70 en aluminium, mais ces matières particulières ne sont pas essentielles du point de vue de l'invention. La feuille métallique 50 peut être, par exemple, une feeille d'aluminium de 25 microns, mais cependant des feuilles d'aluminium d'autres épaisseurs ou des feuilles minces de titane ou en matières équivalentes peuvent convenir dans des cas particuliers. Les joints 17 et 60 peuvent être en caoutchouc. Le vide dans la chambre 12 est de l'ordre de 10 6 mm Hg Dans un accélérateur d'électrons utilisé pour les essais, la fenêtre de sortie selon la présente invention comporte un élément correspondant au châssis 30 formant une ouverture rectangulaire longue correspondant à l'ouverture 33 de 25,4 x 772 mm, et un élément de fenêtre correspondant à la feuille mince 50 constitué par une feuille d'aluminium de 25 microns, la surface non en contact uvec le tube de circulation d'eau et les éléments d'une grille correspondant au conduit 40 et aux éléments 2 transversaux 4i, est approximativement de 66,5 cm , environ 80% du faisceau d'électrons accélérés avec un mouvement de balayage étant transmis à travers la fenêtre de sortie, et le faisceau d'électrons ayant une inten sité de 30 mA sous 300 kV. Bien entendu, la description qui precède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. R E V E N D I C A T I O N S 1 - Une fenêtre de sortie pour un appareil émettant un faisceau de particules atomiques de grande énergie comportant une chambre à vide et une fenêtre de sortie pour le passage du faisceau vers ltextérieur, caractérisée par un châssis délimitant une ouverture, une feuille en matière imperméable au milieu atmosphérique ambiant mais traversée par le faisceau de particules et couvrant l'ouverture, et un élément de structure rigide associé au châssis en contact avec une partie non marginale de la feuille quand le châssis ferme la chambre à vide par rapport au milieu ambiant, cet élément rigide formant un support pour la feuille. 2 - Une fenêtre de sortie pour un appareil émettant un faisceau de particules atomiques de grande énergie comportant une chambre à vide et une fenêtre de sortie pour le passage du faisceau vers l'extérieur caractérisée par un châssis délimitant, une feuille en matière imperméable au milieu atmosphérique ambiant mais traversée par le faisceau de particules scellée au châssis et couvrant l'ouverture, et un élément pour la circulation d'un réfrigérant associé au châssis et disposé pour être en contact sur une partie substantielle de sa longueur avec une partie non marginale de la feuille quand le châssis ferme la chambre à vide par rapport au milieu ambiant afin que la chaleur dégagée dans la feuille par le passage du faisceau soit transférée au réfrigérant présent dans l'élément de circulation. 3 - Une fenêtre de sortie pour un appareil émettant un faisceau de particules chargées de grande énergie comportant une chambre à vide et une fenêtre de sortie pour le passage du faisceau vers le milieu ambiant caractérisée par un châssis délimitant une ouverture, une feuille de matière imperméable au milieu atmosphérique mais traversée par le faisceau de particules et scellée au châssis pour couvrir l'ouverture, et un élément de structure rigide associé au châssis et constituant un conduit pour un réfrigérant, cet élément étant disposé pour être en contact avec une partie non marginale de la feuille quand le châssis ferme la chambre à vide par rapport au milieu ambiant de façon que l'élément de structure supporte la feuille et que la chaleur dégagée dans la feuille par le passage du faisceau soit transférée au réfrigérant présent dans l'élément. 4 - Une fenêtre de sortie selon la revendication 3 caractérisée en ce que la feuille formant la fenêtre est une feuille mince en métal. 5 - Une fenêtre de sortie pour les électrons d'un faisceau d'électrons d'une chambre à vide vers une région ambiante caractérisée par un châssis délimitant une ouverture longue pour le passage du faisceau d'électrons, une feuille mince en matière imperméable à l'atmosphère ambiante mais permettant le passage des électrons, scellée au châssis pour couvrir l'ouverture, et un tube disposé dans l'ouverture et supporté par le châssis, ce tube contenant un milieu réfrigérant et étant situé dans la chambre à vide de façon à être en contact le long d'une partie substantielle de sa longueur avec la feuille afin de supporter celle-ci et qu'une partie de la chaleur engendrée dans la feuille mince par le passage du faisceau d'électrons soit transférée au réfrigérant contenu dans le tube. 6 - Une fenêtre de sortie pour les électrons d'un faisceau d'électrons ayant un mouvement de balayage d'une chambre à vide vers une région ambiante caractérisée par un châssis délimitant une ouverture longue pour le passage du faisceau, une feuille métallique mince scellée au châssis pour couvrir l'ouverture, un tube traversant le châssis dans l'ouverture pour la circulation d'un réfrigérant, en contact le long d'une partie substantielle de la longueur du tube par une partie non marginale de la feuille mince quand le châssis ferme la chambre à vide afin que la feuille mince soit supportée par le tube et que la chaleur engendrée dans la feuille soit transmise au réfrigérant présent dans le tube, et des éléments entre le châssis et le tube pour supporter le tube dans l'ouverture à l'intérieur de la chambre à vide en présentant le minimum de surface d'interception au faisceau soumis au balayage. 7 - Un procédé pour améliorer les caractéristiques d'une fenêtre de sortie pour les électrons caractérisé en ce que des parties non marginales de la fenêtre sont supportées du côté chambre à vide et que la chaleur dégagée dans ces parties non marginales est évacuée à travers le support.