Brevet FR2072027A1 — publié le 19710924

la présente invention concerne les générateurs de neutrons et plus précisément les générateurs comportant une enveloppe ou un tube scellé dans lesquels des ions de deutérium et/ou de tritium provenant d'une source d'ions sont accélérés de manière à heurter 5 une cible contenant du deutérium et/ou du tritium, de manière à fournir des neutrons par réaction deutérium-deutérium. et/ou deutérium-tritium. lie brevet britannique 1° 1 088 088 décrit par exemple un générateur de ce type. Dans ces générateurs scellés,, il existe au cours du fonction- —8 10 nement une basse pression (par exemple d'environ 2,7 10~ bar) de deuterium et/ou de tritium dans le tube. On obtient cette pression à l'aide d'un réactivateur à gaz contenant un métal absorbant de l'hydrogène (par exemple du titane) et dans lequel on a absorbé antérieurement du deutérium et/ou du tritium à l'état gazeux. On 15 maintient la pression voulue dans le tube en réglant la température du réactivateur. Lorsqu'on met celui-ci hors tension, il absorbe à nouveau les gaz et la pression tombe au voisinage de zéro. Les générateurs contenant du tritium et destinés à fournir des neutrons par réaction . deutérium-tritium posent un problème, car 20 le tritium se décompose par radio-activité (avec une période de 12,3 années environ) en hélium-3 (He-3).- Ainsi, il s'établit une concentration d'atomes d'hélium-3 qui augmente de façon continue riqna toutes les parties du tube contenant du tritium (par exemple la cible, le réactivateur et' les parois de la source- dans les- 25 quelles pénètre du tritium sous l'action de la décharge haute fré-u comme quence qu'on utilise souvent pour ioniser le gaz/dans le générateur cité)* Comme l'hélium-3 est un atome chimiquement inerte, il n'existe pas de,liaison chimique entre lui et la.cible, le réacti-30 vateur et les parois,de la même façon qu'avec l'atome de tritium qui constitue l'élément radio-actif de départ. Il se produit ainsi une libération progressive d'atomes d,hélium-3 qui créent une pression gazeuse dans l'espace libre dans le tube. Cet hélium-3 gazeux libre peut provoquer une réduction de 35 la quantité de neutrons fournie de diverses manières. (1) L'hélium-3 gazeux placé à l'intérieur de la source est ionisé et la pression de celle-ci n'est plus correcte, les ions de 70 46336 "2"" 2072027 deutérium et de tritium. extraits étant contaminés par des. ions d'hélium-3. (2/ Les ions de deutérium et/ou de tritium, lors de leur accélération vers la cible, interagissent électroniquement de 5 façons diverses, avec les atomes neutres d'hélium qui.s en général, réduisent la. vitesse au moment du choc sur la cible. (5) Une pression excessive d'hélium-3 dans la source peut empêcher l'amorçage d'une décharge ionisante .dans la source.d'ions. La tension qu'on peut appliquer sans claquage entre les -10 électrodes se trouve réduite. En conséquence, l'invention concerne un générateur. de neutrons permettant de résoudre le problème posé par 1'accumulation d'atomes d'hélium-3. ... . - -- . Selon l'invention, un générateur scellé de. ne.utrons qui. con-15 tient du tritium et qui comprend un réactivateur destiné-à fournir . un isotope de l'hydrogène sous forme gazeuse comprend une -pompe -communiquant dé 'façon continue -avec, 1 '-enveloppe du., générateur, de manière à retirer l'hélium de celle-ci ; la pompe est susceptible de .retirer,1e gaz de l'enveloppe lorsqu'elle fonctionne,- et n'absorbe 20 pas 1'hydrogène gazeux qui se trouve dans l'enveloppe lorsqu'elle -ne fonctionne pas. .. . ; * ; , , , • De préférence, la pompe est une pompe à pulvérisation d'ions, comportant une électrode destinée.à être pulvérisée et dont le métal a une faible affinité chimique pour l'hydrogène. 25 De préférence,- le métal destiné à être pulvérisé a un coef ficient élevé :de pulvérisation en-ce qui concerne, les. ions hélium. De préférence, la pompe à pulvérisation d'ions est.du type - triode , l'électrode.de pulvérisation.comprenant au moins une cathode munie d'ouvertures, par exemple, une grille .ou un tamis, 30 placée entre une anode' et une autre électrode .sur laquelle, au cours du fonctionnement,"vient se déposer le métal .pulvérisé par la cathode. La pompe peut se trouver à 1?extérieur de l'enveloppe et être scellée à qelle-rci en permanence.' ; '• Des ffléta'rs-qui conviennent-pour constituer l'électrode des-35 tinée a êtr-e .pulvérisée sont .le .cuivre,, l'argent et ,l'or.. Le métal • à pulvériser peut être un. dépôt .effectué sur un métal plus robuste, par exemple de l'acier-inoxydable, du monel ou du molybdène, et BAD ORIGINAL 70 46336 "3" 2072027 il peut être par exemple déposé sur une grille ou un tamis de tels métaux. Le rôle de la pompe à pulvérisation est de retirer de façon périodique l'hélium-3 gazeux qui s'accumule. Avant de mettre en 5 circuit le réactivateur d'isotope de l'hydrogène,- on vérifie la pression dans lë tube. Une lecture différente de zéro indique la présence d'hélium-3 gazéux et on fait fonctionner la pompe jusqu'à l'obtention d'une indication de zéro. On met alors la pompe hors-circuitjet -on fait fonctionner le réactivateur pour établir la près-10 sion de travail en isotope de l'hydrogène. Comme on l'expliquera plus loin, les pompes classiques à pulvérisation: d*ions ne conviennent pas selon l'invention, car elles comprennent des métaux, par exemple du titane, qui ont une affinité chimique élevée pour l'hydrogène et qui, en conséquence, retirent 15 le deutérium et le tritium voulus aussi bien que l'hélium-3 indésirable. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressor-tiront mieux de la description qui va suivre d'un mode de réalisa-• tion particulier de l'invention, donnée en référence au dessin 20 annexé qui représente une coupe d'une partie d'un tube générateur de neutrons selon l'invention. Le dessin représente l'extrémité voisine de la source d'ions d'un tube d'un générateur^g neutrons du type décrit dans le brevet britannique N° 1 088 088/.Celui-ci comprend une enveloppe.ou un 25 tube en verre 1 entouré par un bobinage 2 destiné à fournir de hautes fréquences. Un tube métallique 4 porte une pièce 3 d'arrêt d'électrons au cuivre revêtu d'aluminium placée à l'intérieur du tube. Un réactivateur 5 à gaz, un tube de scellement 6 et une sondé de Pirani, cachée derrière le tube 6, sont fixés au tube 1. 30 Le tube 1 comprend une partie métallique 7 à laquelle est scellée, selon l'invention, une pompe 8 ,à pulvérisation d'ions du type triode (parfois appelée pompe à: sorption) . La pompe 8 comprend une enveloppe 9 en acier inoxydable non magnétique, entourée par un aimant permanent 10 cylindrique et- creux destiné à créer; un champ 35 magnétique axial. Une anode cylindrique 11, deux cathodes 12 en forme de grille et deux électrodes 13 en forme de disque d'extrémité se'trouvent dans l'enveloppe 9. L'anode et les disques sont reliés 70 46336 2072027 à la masse de l'enveloppe 9 a+. -c.vi. aussi en acier inoxydable. Les cathodes 12 et 12' sont montées sur uu raccord 14 de passage-scellé sur un canon isolant 15 et, en cours de fonctionnement^ elles sont reliées à une source de potentiel négaiiXj, par exemple de l'ordre 5 de -4»5 kY. Dans l'exemple décrit? la oatlicde supérieure 12 est formée par un fil en acier inoxydable de 0,376 mm de diaœètre formant une grille comprenant huit fils'par centimètre, et elle est revêtue de cuivre formant une épaisseur de 50 microns. La cathode infé-10 rieure ;M3 est en fil de cuivre de 0,315 mm de diamètre at comprend 9,6 fils par centimètre. L'utilisation de fil en acier inoxydable revêtu pour la cathode 12 empêche qu'elle ne se déforme sous le poids de la cathode 12* qui est suspendue par des rubans plats étroits 16. L'anode 11 et les disques 13 sont montés sur l*enveloppe 15 9 par d'autres rubans plats étroits (qu'on n'a pas représenté par souci de clarté) de manière classique. Le fonctionnement d'une source classique à pulvérisation est connue des hommes du métier, et en résumé,il consiste en l'accélération d'électrons émis par les cathodes en forme de grille 20 vers l'anode, et leur oscillation entre les deux cathodes avant d'atteindre éventuellement l'anode. Le trajet en spirale suivi dans le champ magnétique par les électrons accroît leur trajet. Ces derniers provoquent l'ionisation des molécules de gaz par collision, et les molécules ionisées sont accélérées loin de l'anode. Certaines 25 heurtent les cathodes et provoquent une pulvérisation du métal de la cathode vers les disques. D'autres ions, ainsi que des atomes excités, traversent les grilles des cathodes et atteignent les disques avec juste suffisamment d'énergie pour être absorbés. Ces atomes et ces ions maintenus de façon lâche sont alors piégés dans les disques 30 oîi ils s'enfoncent sous du métal pulvérisé provenant des cathodes, et ainsi» ils sont pompés en permanence. Dans les sources à pulvérisation d'ions classiques, la cathode est habituellement en titane. Le type de pompage décrit a lieu à la fois pour des gaz inertes comme l*héliu»a-3 et pour des gaz chimiquement actifs comme 35 hydrogène et ses isotopes? puisqu'il ne dépend que de l'ionisation ' et de excitation électronique « Cependant, pour les gaz chimiquement actifs9 11 se produit une opération supplémentaire beaucoup BAD ORIGINAL 70 46336 _5_ 2072027 plus rapide qui assure le pompage. Il s'agit de l'action due à l'affinité chimique entre le gaz et la pellicule de titane continuellement pulvérisée vers les disques. Les molécules neutres d'hydrogène, par exemple, heurtent les disques comme cela est 5 étant donnée leur énergie cinétique$ comme elles sont chimiquement actives, il existe une probabilité non nulle qu'elles se lient à la pellicule de titane et qu'elles soient ainsi pompées. Selon l'invention, il est essentiel que la pompe ne pompe ni n'absorbe du deutérium ou du tritium gazeux qui sont présents au 10 cours dti fonctionnement du générateur. Dans le cas contraire, cette action aurait tendance à vider le réactivateur, et le pompage de l'hélium-3 serait gêné par des effets de saturation. On constate qu'une telle pompe classique à pulvérisation continue à absorber de l'hydrogène, même lorsqu'on supprime la tension sur la cathode. Ceci 15 est dû à ce que, une fois que la pellicule de titane est déposée, son action chimique d'absorption ne dépend pas de la présence des tensions électriques. Selon l'invention, on résout le problème posé par l'absorption d'hydrogène en réalisant les grilles constituant les cathodes en 20 un métal qui ne réagit pas facilement avec l'hydrogène par une réaction chimique. Ainsi, la pellicule pulvérisée sur les disques est relativement inactive au point de vue chimique et le pompage cesse pratiquement jusqu'après la suppression de la tension sur les cathodes. De préférence, les cathodes sont en un métal possédant 25 un coefficient de pulvérisation élevée pour les ions hélium. De cette manière, on peut obtenir des vitesses de pompage d'hélium-5 maximales et., du fait de l'enfoncement des ions et des atomes excités plus important selon l'invention qu'avec les pompes de la technique antérieure, la réémission d'hélium-3 pompé est réduite au 30 minimum. Le cuivre,l'argent et l'or sont des exemples de métaux ayant des coefficients de pulvérisation élevés et qui ne réagissent pas facilement avec l'hydrogène. Comme des grilles faites avec ces métaux ont tendance à s'amollir lors de la phase de chauffage utilisée lors de la fabrication d^générateur, on peut avantageusement 35 déposer ces métaux, par exemple par électro-déposition, sur des grilles faites en métaux plus solides, par exemple en acier inoxydable, en monel ou en molybdène. 70 46336 -e- 2072027 On sait qu'il existe des pompes à pulvérisation ou à sorption tion d'un type diode dont le mécanisme de pompage est analogue à celui du type triode, à la différence que le pompage des ions a lieu aux électrodes mêmes de pulvérisation. Il peut donc se pro-5 duire une réémission du gaz déjà pompé, ce qui est particulièrement important pour les gaz inertes qui ns sont pas pompés chimiquement. En conséquence5 on préfère selon l'invention utiliser une pompe triode qui assure le pompage ët la retenue à:hélium-3,.-a.fcrte. Le dessin est approximativement à l'échelle,et le diamètre 10 externe le plus grand de l'enveloppe 9 est de l'ordre de 25»4 mm. La pompe décrite»convenant selon 11 invention,a les qualités suivantes, en utilisant un champ magnétique axial d'environ 900 oersteds et une tension de l'ordre de-4 'kV pour les cathodes : (1) la pompe fonctionne de façon satisfaisante pour une pression -3* 15 d'hélium correspondant à 0,24.10 bar ; (2) elle peut pomper de la pression ci-dessus à une pression '• —6 pratiquement nulle en 7 heures environ et à partir de 66.10 bar en 1,5 heure, dans un volume d'un litre environ.; (3) elle pompe 2,1 litres.millibars d'hélium sans réduction 20 de la vitesse de pompage et sans indication de saturation.; (4) après pompage de 2,1 litres.millibars d'hélium, la pompe libère.de l'hélium gazeux avec un débit dé 8.10 litre .millibar au cours de la première semaine et de 4,7.10"^ litre.millibar par semaine ensuite ; et 25 (5) malgré la pulvérisation de la cathode qui accompagne le pompage de 2,1 litres.millibars d'hélium, la pompe n'absorbe pas d'hydrogène gazeux à un taux mesurable lorsque la tension de la cathode est supprimée ensuite. Il est bien entendu que la présente invention n'a été décrite 30 et représentée qu'à titre'd'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour'autant sortir du cadre de ladite invention»qui est défini dans les revendications annexées» *AD ORIGINAL ' 70 46336 _7_ 2072027 BETOTOICATIONS 1. Générateur de neutrons scellé contenant du tritium et comprenant un réactivateur destiné à fournir des isotopes gazeux de l'hydrogène, caractérisé en ce qu'il comprend une pompe commu- 5 niquant de façon continue avec l'enveloppe du générateur, et destinée à retirer l'hélium gazeux libre de l'enveloppe et à pomper du gaz de l'enveloppe lorsqu'elle fonctionne, sans pratiquement absorber d'hydrogène gazeux de l'enveloppe lorsqu'elle ne fonctionne pas. 2. Générateur de neutrons selon la revendication 1, caractérisé 10 en ce que la pompe est une pompe à pulvérisation comportant une électrode pulvérisable dont le métal destiné à être pulvérisé possède une faible affinité chimique pour l'hydrogène. 3. Générateur de neutrons selon la revendication 2, caractérisé en ce que le.métal pulvérisable possède un coefficient élevé de 15 pulvérisation pour les ions hélium. 4. Générateur de neutrons selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la pompe à pulvérisation est du type triode, l'électrode pulvérisable comprenant au moins une cathode comportant plusieurs ouvertures et placée entre une anode et une 20 autre électrode sur laquelle est pulvérisé le métal de la cathode en cours de fonctionnement. 5. Générateur de neutrons selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le métal pulvérisable est du cuivre, de l'argent ou de l'or. 25 6. Générateur de neutrons selon l'une quelconque des rs"?ndications 2 à 5, caractérisé en ce que le métal pulvérisable est déposé sur un métal plus robuste. 7» Générateur de neutrons selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pompe se 30 trouve à l'extérieur de l'enveloppe et est scellée à celle-ci. 8. Procédé de commande d'un générateur de neutrons selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on fait fonctionner la pompe pour retirer l'hélium de l'enveloppe avant d'admettre des isotopes gazeux de l'hydrogène 35 provenant du réactivateur.