Brevet FR2198316A1 — publié le 19740329

La présente invention se rapporte aux générateurs d'alimentation à ligne de transmission en spirale ou, simplement, générateurs en spirale. Des générateurs de ce type destinés à emmagasiner de l'énergie électrique à basse tension et à convertir l'énergie emmagasinée en une décharge à haute tension sont connus. Ces générateurs sont formés de deux feuilles en une substance conductrice de l'élec- tricité qui sont isolées l'une de l'autre par des feuilles en une substance diélectrique et enroulées sous la forme d'un rouleau cylindrique afin de constituer une ligne de transmission à extrémité ouverte. En fonctionnement, une tension de charge est fournie à l'une des feuilles conductrices. Les feuilles conductrices sont alors courtcircuitées et une onde mobile se propage entre celles-ci et permet au générateur de délivrer une impulsion à haute tension.L'art antérieur enseigne que la tension maximale de l'impulsion délivrée par un tel générateur en spirale à un dispositif d'utilisation qui lui est connecté est proportionnelle au nombre de spires formant le générateur0 L'art antérieur ne mentionne pas que la tension de sortie du générateur est influencée par les caractéristiques électriques du dispositif d'utilisation recevant la tension. Par conséquent, selon l'art antérieur, le nombre de spires que doit posséder un générateur en spirale pour pouvoir délivrer une tension de sortie désirée à un dispositif d'utilisation peut entre déterminé approximativement en utilisant la formule V = 2nE (1) avec V = tension maximale de sortie délivrée par le générateur; n = nombre de spires; et E = tension de charge fournie au générateur en spirale. Les symboles qui vienent d'dtre définis seront également utilisés par la suite avec la même signification et ne seront par conséquent pas définis à nouveau. Le nombre de spires et d'autres paramètres d'un générateur en spirale destinés à procurer une tension de sortie particulière peuvent être déterminés avec une meilleure précision en utilisant les formules V = 2n B Esx lx (2) T = 2 W #1/2 c-1 (3) r Z = 240n lx (#1/2 D)-1 (4) avec T = durée de l'impulsion délivrée par le générateur en spirale; Z = impédance de sortie de la ligne de transmission for mée entre la spire la plus interne et la spire la plus externe du générateur en spirale;; B = facteur de perte tenant compte des pertes telles que celles en énergie de la ligne de transmission; 29x intensité du champ électrique dans les feuilles dié lectriques; 1,= épaisseur d'une feuille isolante disposée entre les feuilles conductrices; W = largeur d'une feuille conductrice; ir= = constante diélectrique des feuilles isolantes; c = vitesse de la lumière dans le vide, à savoir 8 3 108 m/sec D = diamètre du générateur en spirale. L'obtention des formules 1 à 4 de l'art antérieur qui permettent d'obtenir le nombre de spires qu'un générateur en spirale doit posséder afin de délivrer-une tension de sortie particulière est basée sur l'hypothèse que le générateur en spirale connecté à une charge électrique fonctionne de la même manière que s'il n'était pas connecté à une telle charge.Cependant, lorsqu'un générateur en spirale est connecté à une charge électrique, une partie de son énergie de sortie est dissipée dans la charge pendant l'intervalle de temps durant lequel l'onde mobile se propage autour des spires du générateur en spirale et la tension de sortie croit vers sa valeur maximale. Cette dissipation d'énergie oblige le générateur en spirale connecté à une charge d'alimenter cette charge avec une tension de crête sensiblement plus faible que celle escomptée selon les formules de l'art antérieur mentionnées ci-dessus0 Par exemple, un générateur en spirale connecté à un tube à rayons X à émission de champ et réalisé en accord avec les formules de l'art antérieur pour délivrer des impulsions de sortie ayant une tension de crête élevée de 300 kV ou plus ne délivre à ce tube à rayons X que des impulsions dont la tension de crête n'est égale qu'à la moitié ou moins de la valeur escomptée. Des tentatives ont été effectuées pour augmenter la tension des impulsions délivrées au tube à rayons X en augmentant le nombre de spires du générateur selon l'enseignement de l'art anté rieur, à savoir que la tension maximale de sortie du générateur est proportionnelle au nombre de ses spires. Les résultats ont été décevants. Des générateurs en spirale possédant entre 50 et 60 spires et alimentés avec des tensions de charge allant de 7000 à 12000 volts n'ont délivré que des impulsions de sortie de 90 à 110 kV à un tube à rayons X à émission de champ qui leur était connecté. l'accroisse- ment du nombre de spires au-delà d'environ 60 n'a pas engendré un accroissement correspondant de la tension de crête adressée à la charge connectée.La tension maximale appliquée au tube à rayons I n'a pu être augmentée qu'en augmentant la tension de charge alimentant le générateur afin d'augmenter la quantité d'énergie emmagasinée dans le générateur avant son déclenchement. Lorsque la tension de charge est augmentée au-dessus d'environ 12000 volts, il est difficile d'isoler convenablement la tension emmagasinée. Un tel accroissement de la tension de charge n'est par conséquent pas souhaitable et présente en outre un danger potentiel. La présente invention vise un générateur en spirale qui possède un nombre de spires inférieur à celui enseigné par l'art antérieur et qui délivre une impulsion de sortie, à une charge électrique qui lui est connectée, qui présente une tension maximale de valeur supérieure à celle qui serait obtenue au moyen d'un générateur pourvu d'un plus grand nombre de spires comme enseigné par l'art antérieur.Un générateur en spirale possédant (No) spires effectives délivrera à un dispositif d'utilisation connecté au générateur une impulsion de tension présentant une valeur maximale supérieure à celle que peut recevoir ce dispositif d'utilisation depuis tout autre générateur en spirale chargé de manière semblable et possédant un nombre différent de spires, No étant défini par l'équation :: avec No = nombre des spires le long desquelles l'onde mobile produite par le déclenchement du générateur en spira le se propage avant que son énergie soit consommée par le dispositif d'utilisation; n = environ 3,1416; constante caractéristique du dispositif d'utilisation définie par l'équation (6) ci-dessous; Z2 = exposnt caractéristique du dispositif d'utilisation défini par l'équation (6) ci-dessous; d = épaisseur du diélectrique disposé entre les feuilles conductrices;; B = facteur de perte tenant compte des pertes telles que celles en énergie de la ligne de transmission et cel les en tension de l'onde mobile et présentant généra lement une valeur comprise entre zero et trois ou qua tre pour la plupart des formes de réalisation. (Les autres symboles étant ceux définis précédemment). Un générateur en spirale qui est déclenché en court-circuitant les feuilles conductrices à une extrémité de la spirale et qui possède un nombre No de spires réelles calculé selon l'équation (5) ci-dessus procure No spires effectives. Lorsqu'un tel générateur en spirale est déclenché, une onde mobile se trouve engendrée qui se propage entre les feuilles conductrices et qui permet au générateur de délivrer une impulsion de tension de sortie qui augmente jusqu'à ce que l'onde mobile ait longé toutes les No spires du générateur. Cependant, Si toute l'énergie emmagasinée dans le générateur n'est pas consommée par une charge qui lui est connectée tandis que l'on- de mobile se propageant entre les feuilles conductrices atteint une extrémité de celles-ci, cette onde sera réfléchie par cette extrémité et continuera à se propager. La valeur de la tension de sortie délivrée par le générateur continuera à augmenter après la première réflexion et jusqu'à une seconde réflexion. Un générateur en spirale possédant 1/2 No spires réelles procure, par conséquent, No spires effectives. il existe donc deux formes de réalisation qui permettent de procurer tout nombre No choisi de spires effectives. Un générateur en spirale possédant un nombre N0 de spires effectives calculé selon l'équation (5) délivre à une charge qui lui est connectée un signal de tension présentant une valeur maximale supérieure à celle délivrée par un générateur en spirale similaire emmagasinant la même quantité d'énergie que le générateur à No spires avant autre déclenché, réalisé avec le même matériel que le générateur à No spires et possédant les mêmes dimensions que le générateur à No spires excepté en ce qui concerne le nombre de spires ou, en d'autres termes, la longueur des feuilles conductrices. il est à remarquer qu'afin d'avoir des quantités égales d'énergie électrique emmagasinée dans deux générateurs en spirale possédant des feuilles conductrices de dimensions différentes, une tension quelque peu supérieure doit entre fournie au générateur possédant les feuilles conductrices les plus courtes (moins de spires). Ces objets et caractéristiques et d'autres encore de la présente invention apparattront plus clairement de la description détaillée qui suit ainsi que du dessin y annexé qui représente schématiquement un système générateur de rayons X possédant un générateur en spirale destiné à délivrer des impulsions de haute tension au tube à rayons X, étant bien entendu que celui-ci n'est donné qu'à titre d'exemple nullement limitatif. L'unique figure du dessin montre un système 10 générateur de rayons X qui comprend un générateur en spirale 12 connecté de manière à délivrer des impulsions de haute tension à un tube à rayons X à émission de champ 14. Le générateur en spirale 12 est formé de deux feuilles conductrices 16 et 18 qui sont isolées électriquement l'une de l'autre par des feuilles en une substance diélectrique. Ces feuilles isolantes ne sont pas représentées comme il est de coutume pour les dessins représentant des générateurs en spirale afin d'éviter une complication inutile de ces dessins. Les feuilles sont enroulées afin de former le générateur en spirale 12 qui possède No spires effectives déterminées selon l'équation (5) ci-dessus.En utilisant l'équation (5), le nombre des spires que le générateur en spirale 12 possède n'est pas seulement déterminé par la valeur de la tension maximale de sortie qui doit être appliquée au tube à rayons X, comme dans le cas de la réalisation de générateurs selon l'art antérieur. En effet, la tension de charge destinée à être fournie au générateur 12 et les caractéristiques électriques du tube 14 interviennent aussi dans la détermination du nombre des spires formant le générateur 12, puisque l'équation (5) est fonction de ces variables.Comme il a été précédemment expliqué, le générateur peut possé- der soit No ou 1/2 No spires réelles afin de procurer No spires effectives selon qu'il est désiré ou non d'avoir une onde mobile réfléchie par une extrémité de la ligne de transmission définie par les feuilles conductrices 16 et 18 avant que le signal de sortie du générateur 12 appliqué au tube à rayons X 14 atteigne une valeur maximale de tension. Bien que le générateur 12 soit représenté sous la forme d'un rouleau cylindrique, la forne cylindrique n'est pas absolument nécessaire.Par conséquent, des formes de réalisation ovales ou applaties peuvent être aussi utilisées. le tube à rayons X 14 est connecté entre les extrémités opposées 20 et 22 de l'une des feuilles conductrices du générateur 12 pour recevoir les impulsions de sortie à haute tension du générateur. Les extrémités 22 des feuilles conductrices 16 et 18 sont connectées à une source d'alimentation 24 destinée à fournir une tension de charge au générateur 12 et, par conséquent, à appliquer une différence de potentiel entre les feuilles conductrices. Un éclateur commandé 26 destiné à faire fonctionner le générateur en spirale 12 est connecté aux bornes des feuilles conductrices 16 et 18. Dans une forme de réalisation typique du système 10, les constantes électriques du tube à rayons X à émission de champ et les constantes physiques du générateur en spirale sont sensiblement K1 = 6,25 10-18 ampère/(volt)4 h = 4 W = 76,2 mm d = 9/100 mm Ar = 2,5 B =2 Le tableau suivant indique les différentes valeurs d'énergie ainsi que les différentes valeurs de la tension maximale appliquée au tube à rayons X par différents générateurs en spirale possédant différents nombres de spires effectives calculées pour différentes valeurs de tension de charge au moyen de l'équation (5) cidessus. Tension de char- Nombre de spi Energie fournie Tension de cri ge E en kilovolt res effectives au tube à rayon te appliquée au No X en joules tube à rayons en kV 12 16 4,7 190 10 18 3,4 174 8,5 19 2,8 161 7,5 20 2,4 152 7 22 2,0 145 En substituant dans l'équation (5) les valeurs des constantes mentionnées ci-dessus et les tensions de charge indiquées dans la première colonne du tableau on obtient les nombres de spires effectives indiqués dans la deuxième colonne du tableau que le générateur en spirale recevant ces tensions de charge doit posséder pour délivrer au tube à rayons X 14 des impulsions ayant les énergies indiquées à la troisième colonne du tableau et les tensions de crête indiquées dans la dernière colonne de ce tableau. Comme il apparatt du tableau, un générateur en spirale possédant un nombre de PPiies'e'fQectives calculé selon l'équation (5) délivre au tube à rayons X 14 des impulsions dont la tension de crête est notablement supérieure aux tensions de crête de 90 à 110 kV procurées par des générateurs en spirale de l'art antérieur chargés de manière semblable et ayant sensiblement davantage de spires. En fonctionnement, une tension est appliquée depuis la source d'alimentation 24 pour charger le générateur en spirale 12 à une valeur prédéterminée, comprise par exemple entre 7000 et 12000 volts. Cette tension de charge est emmagasinée par le générateur 12 et constitue une différence de potentiel entre les feuilles conductrices 16 et 18. Lorsque l'éclateur 26 est commandé, les feuilles conductrices se trouvent court-circuitées et une onde mobile se propage entre celles-ci, convertissant l'énergie électrostatique emmagasinée en un champ électromagnétique embrassant les feuilles conductrices. Chaque fois que l'onde mobile traverse le plan défini par l'extrémité 22 de la ligne de transmission définie par les feuilles conductrices 16 et 18 et l'axe autour duquel elles sont enroulées, un accroissement supplémentaire de tension qui est égal à la tension de charge dans le cas sans perte apparat aux bornes du tube à rayons X.L'onde mobile peut être réfléchie dans certaines formes de réalisation par l'extré- mité interne ouverte 20 du générateur en spirale 12, permettant à l'augmentation de tension de se poursuivre jusqu'à ce que l'onde mobile retourne à l'éclateur 26. L'énergie convertie par l'onde mobile en champ électromagnétique est consommée par le tube à rayons X 14 selon les caractéristiques tension-courant de ce tube. La tension aux bornes du tube à rayons X 14 augmente jusqu'à ce que l'énergie communiquée à l'onde mobile devienne égale à l'énergie totale dépensée dans le tube. A cet instant, le tube à rayons X 14 a consommé toute l'énergie disponible provenant de l'onde mobile. Le générateur 12 qui possède un petit nombre de spires déterminé selon l'équation (5) cidessus alimente le tube 14 avec une tension maximale supérieure à celle délivrée par les générateurs en spirale de l'art antérieur possédant un plus grand nombre de spires. il en est7du fait que le générateur 12 développe une tension de sortie plus élevée avant que le tube 14 n'ait consommé l'énergie de l'onde mobile0 Les tensions plus élevées appliquées au tube 14 permettent à ce dernier de produire des impulsions de rayons X de plus haut niveau d'énergie et donc de pouvoir de pénétration supérieur aux rayons X engendrés par les systèmes selon l'art antérieur. Bien qu'une forme de réalisation de la présente invention ait été décrite, il doit être entendu que diverses modifications évidentes à tout homme de l'art peuvent y être apportées sans s'écarter pour cela de l'esprit de l'invention ni sortir de son domaine. Par exemple, un tube à rayons X à émission de champ, tel que le tubé 14, présente une résistance électrique non linéaire. C'est-à-dire qu'un tel tube offre une résistance électrique très élevée jusqu'à ce que la tension aux bornes du tube atteigne un certain niveau de seuil, après quoi la résistance électrique du tube tombe pratiquement à zéro.Cette caractéristique non linéaire de résistance d'un élément d'utilisation ou de charge peut s'exprimer par l'équation suivante : ix 1 XîeKx2 (6) avec : i1 = courant instantané de charge; et ex = tension instantanée de charge. (Les autres symboles sont ceux précédemment définis). Un générateur en spirale peut être utilisé pour délivrer une tension à un dispositif présentant une résistance linéaire. Dans un tel dispositif, la résistance ne varie pas en fonction de la tension et Xi = 1/RL E2 = 1 avec : RL = résistance du dispositif d'utilisation ou charge. L'équation (5) peut s'écrire alors : 1/2 (7) N = [24 3R1 . + . A titre d'exemple d'une autre modification, l'équation (5), comme précédemment indiqué, a été développée pour un générateur en spirale sans perte. il sera aisé à l'homme de l'art de modifier ce développement, présenté maintenant, afin de procurer un facteur de valeur appropriée destiné à être introduit dans l'équation (5) pour les systèmes autres que le système tout à fait idéal. On obtient l'é- nergie instantanée dissipée dans l'élément d'utilisation par AJL = ex ix Et (8) avec : Ail = énergie dissipée pendant un court intervalle de temps bt. L'énergie consommée dans le dispositif d'utilisation pendant l'in tervalle de temps vu durant lequel l'onde mobile se propage autour d'une seule spire du générateur en spirale est déterminée au moyen des équations (6) et (8), ce qui donne : JLm = K1 el+K2 lSm (9) Lorsque l'onde mobile atteint la mième spire du générateur en spirale, la tension de sortie pour une ligne sans perte est mE.En étan- dant l'équation (9) à la sortie le long de n spires du générateur en spirale on obtient l'énergie totale dissipée dans l'élément d'utilisation, laquelle est : Pour un générateur en spirale présentant un diamètre qui est grand par rapport à l'épaisseur de la substance diélectrique prévue entre les feuilles conductrices, le temps de propagation de l'onde mobile est sensiblement le même pour toutes les spires et, par conséquent, est est une constante. l'équation (10) peut donc s1 écrire sous la for- me :: Pour n grand par rapport à X;1, on obtient l'énergie totale emagasinée dans le générateur en spirale 12 avant son déclencberent est avec JT = énergie totale emmagasinée; C = capacité totale de la ligne de transmission; et E = tension de charge. La quanti é d'énergie emmagasinée convertie en énergie électromagnétique dans chaque spire par une orde mobile descendant la ligne de transmission est avec : Cm = capacité d'une spire du générateur e spirale. Par conséquent, l'énergie de l'onde mobile après qu'elle se soit pro pagée le long de n spires est L'énergie convertie par lt-onde mobile continue à augmenter lorsque cette onde se propage jusqu'à ce que l'énergie totale consommée dans l'élément d'utilisation devienne égale à l'énergie qui a été emmagasinée dans l'onde mobile. Ceci se produit lorsque JL JTn (17) et Le générateur en spirale 12 est réalisé de manière que cette égalité se produise à la fin ou pour la spire finale du générateur. En remplaçant les deux membres de l'équation (18) par les expressions respectivement données par les équations (13) et (16) et en résolvant par rapport à n, on obtient : Afin de simplifier la forme de l'équation (19), la capacité par spire (Cm) du générateur en spirale s'exprime par avec : lm = longueur d'une spire du générateur en spirale. Et le temps de propagation pour une spire (tm) s'exprime par En substituant les expressions des équations (20) et (21) dans l'équation (19) et en ajoutant un facteur tenant compte des faibles pertes d'énergie de la ligne de transmission et des pertes de tension de l'onde mobile qui surviennent dans tout système réel, on obtient l'équation (5) donnée ci-dessus. à savoir : REYENDICATIONS lo Générateur d'alimentation destiné à emmagasiner de l'énergie électrique statique à basse tension et à convertir, lors de son déclenchement, l'énergie emmagasinée en de l'énergie électrique impulsionnelle à haute tension qui est délivrée à un moyen d'utilisation qui lui est connecté, comprenant deux feuilles conductrices isolées l'une de l'autre par un diélectrique et formant une ligne de transmission à extrémité ouverte, cette ligne de transmission étant enroulée sur elle même afin de former une spirale, caractérisé en ce que la ligne de transmission possède un nombre No de spires éffectives déterminé de manière à rendre maximale la différence entre les niveaux de tension de l'énergie statique à basse tension et de l'énergie impulsionnelle à haute tension fournie au moyen d'utilisation, avec: 1 10 1 2+E2 i g +E2 N0= 24n K1 d EK2-1 +B 24n K1 d EK2î No = nombre de spires le long desquelles une onde mobile se propage lorsque le générateur est déclenché avant que l'énergie emmagasinée par le générateur soit con sommée par la charge; W = largeur d'une feuiJle conductrice; d = épaisseur du diélectrique disposé entre les feuilles conductrices; n = environ 3,1416; e r = constante diélectrique du diélectrique; E = tension de charge appliquée au générateur; K1 = constante caractéristique du moyen d'utilisation; K2 = exposant caractéristique du moyen d'utilisation;; B = facteur de perte tenant compte des pertes comprenant celles en énergie de la ligne de transmission et cel les en tension de l'onde mobile. 2. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que : ce générateur délivre lors de son déclenchement une tension de sortie au moyen d'utilisation qui augmente selon un taux prédéterminé; le moyen d'utilisation comprend un tube à rayons X à émission de champ présentant une résistance électrique non linéaire; le tube à rayons reçoit et consozç,e de l'énergie électrique pendant l'in tervaile de temps durant lequel cette tension de sortie augmente; et ce générateur possède notablement moins de 50 spires effectives pour lui permettre de délivrer au tube à rayons X une imlul.sion pos séant un niveau maximal de tension supérieur à celui procuré par un générateur en spirale ayant un plus grand nombre de spires et emmagasinant la même quantité d'énergie électrique avant d'dtre déclenché. 3. Générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il possède entre 16 et 22 spires effectives. 4. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le déclenchement de ce générateur fait débuter une onde mobile qui se propage le long de la ligne de transmission et lui permet de produire une tension de sortie qui staccroft chaque fois que l'onde mobile parcourt une spire jusqu' ce que l'énergie emmagasinée dans le générateur soit consommée par le moyen d'utilisation, et en ce que le nombre No de spires effectives est réalisé soit par No spires réelles qui permettent à la sortie du générateur d'atteindre un niveau maximal de tension lorsque l'onde mobile atteint une extrémité de la ligne de transmission ou soit par 1/2 No spires réelles qui permettent à l'onde mobile d'être réfléchie par une extrémité de la ligne de transmission avant que la sortie du générateur atteigne un niveau maximal de tension. 5. Générateur selon la revendication 1, caractérisé que le moyen d'utilisation présente une résistance électrique linéaire RI, de sorte que K1 = R ; E2 = t ; et que le nombre de spires effectives est :