Brevet FR2374816A1 — publié le 19780713

La présente invention conc-erne les dispositifs pour la formation de faisceaux de particules chargées, et a notamment pour objet un système accélérateur d'un faisceau de particules chargées dans des canons à électrons et à ions. Elle peut être utilisée pour creer des équipements pour le travail des matériaux par bombardement électronique et ionique : soudage, fusion, métallisation, façonnage dimensionnel et autres techniques uti- lisant le principe du bombardement électronique. L'invention est particulièrement utile dans la production (formation) de faisceaux de particules chargéesde grande puissance, dépassant 10 kW. On connait l'utilisation, dans les canons à électrons et à ions, de systèmes accélérateurs de faisceaux de particules chargées, qui comportent une seule électrode accélératrice et qui, de ce fait, n'ont qu'un seul intervalle interélectrode. Toutefois, on n'arrive pas à maintenir dans cet intervalle une différence de potentiel stable supérieure à 40-50 kV et, par conséquent, à assurer une accélération suffisante des électrons ou des ions, ce qui limite les possibilités technologiques des canons. C'est pour cette raison qutune grande extension a été donnée aux canons à électrons et à ions comportant plusieurs électrodes accélératrices successives, qui ont permis d'aug- menter notablement la puissance de l'équipement utilisé. En tant q diviseur de tension, on emploie dans ces dispositifs un liquide circulant dans un serpentin et jouant en mgme temps le rôle d'agent de refroidissemente Pour assurer le contact électrique entre le liquide et les électrodes, on réalise dans le tube isolant des coupures dans lesquelles~on place des douilles en matériau conducteur, reliées d'une manière appropriée quelconque aux électrodes du système accélérateur. Les douilles extrêmes sont branchées sur la source d'alimentation. Ce système a des avantages comparativement au système à une seule électrode accélératrice, mais la présence de douilles implique une augmentation de 1 t encombrement du système de refroidissement du dispositif et, par nonséquent, une augmentation de tout le système accélérateur, ce qui, à son tour, limite les possibilités de leur application aux dispositifs mettant en oeuvre les techniques de bombardement électronique et ionique. Le but de l'invention est de diminuer l'encombrement du système accélérateur, d'accroître la fiabilité du système, de créer le régime thermique nécessaire pour le fonctionnement du système. On s'est proposé de modifier le serpentin du système de refroidissement du système accélérateur de façon à assurer une plus grande surface d'interaction de l'agent de refroidissement et des éléments du système accélérateur qui s'échauffent au cours du fonctionnement. La solution consiste selon l'invention, en ce que, dans le système proposé d'accélération du faisceau de particules chargées, le serpentin est bifilaire étant composé de deux voies dans l'une desquelles l'agent de refroidissement circule dans un sens, et dans l'autre voie, dans le sens contraire, chaque électrode possédant au moins deux canaux de même section et de méme longueur, dont l'un est raccordé à une voie du serpentin, et l'autre, à l'autre voie du serpentin. L'avantage de la conception proposée consiste en ce qu'elle rend possible la circulation de l'agent de refroidissement directement dans la masse du système- accélérateur électrique, en permettant ainsi une augmentation de la surface de contact entre l'agent de refroidissement et les parties à refroidir du système. En outre, la disposition bifilaire des spires du serpentin permet de créer un diviseur de tension avec des branches de résistance égale sur toute la longueur du diviseur, ce qui égalise les potentiels d'entrée et de sortie de l'eau et permet de le raccorder à un système de canalisation d'eau ordinaire. Il est avantageux de réaliser le serpentin sous la forme de canaux dans la masse du corps du système accélérateur, ce qui permet de diminuer encore plus l'encombrement du dispositif et d'augmenter sa fiabilité. Dans ce qui suit, l'invention est expliquée par la description d'exemples de réalisation non limitatifs illustrés par les dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 représente une vue en coupe transversale d'un système accélérateur à trois électrodes accélératrices, avec un système de refroidissement conforme à l'invention - la figure 2 représente le tube en U utilisé pour la formation du serpentin - la figure 3 représente l'une des zones de raccordement des branches du serpentin aux canaux d'une électrode - la figure 4 représente le schéma électrique équivalent du système accélérateur de la figure 1, d'après l'invention - la figure 5 représente une variante de réalisation de l'invention, comportant un canon à électrons avec un diviseur de tension d'accélération réalisé dans le corps du système accélérateur - la figure 6 représente une vue en coupe suivant VI-VI de la figure 5. Le système accélérateur représenté sur la figure 1 comprend une source 1 de particules chargées et trois électrodes accélératrices 2, 3 et 4. Les électrodes accélératrices sont montées sur les isolateurs intermédiaires 5 à haute tension, étanches au vide, faisant en même temps office de corps du système accélérateur. Les électrodes 2, 3 et 4 ont dans leur partie centrale des trous 6 pour le passage des particules chargées. Chaque électrode a deux canaux 7 de même longueur et de même section transversale, de préférence ronde, pour la circulation de l'agent de refroidissement, celui-ci étant de préférence de l'eau courante ordinaire. Sur les isolateurs 5 est fixé extérieurement un serpentin 8 formé à partir d'un tube en U désigné par la lettre A sur la figure 2. Le tube A, après avoir été enroulé sur les isolateurs, forme un serpentin8 bifilaire, ctest-à-dire un serpentin à deux voies constituées respectivement par les branches dudit tube en U. Dans l'une des voies du serpentin liteau circule dans un sens, et dans l'autre, elle circule dans le sens contraire. Comme le montre la figure 3, les voies du serpentin présentent, dans la zone où se trouvent la source 1 de particules chargées et-les électrodes 2, 3 et 4, des coupures dans lesquelles sont intercalées des douilles 9 servant à raccorder les canaux 7 des électrodes 2, 3 et 4 au serpentin. Sur le schéma électrique équivalent du système accélérateur, représenté sur la figure 4, les chiffres de référence 1, 2, 3, 4 et 9 correspondent à à ceux des figures-1 et 4. La longueur des portions 11 2 12 3 et 13-4 du serpentin est proportionnelle à la longueur du filet de fluide de refroidissement comprise entre les électrodes 1-2, 2-3, 3-4. Les douilles 9 sont réalisées en un matériau conducteur résistant à la corrosion, par exemple en cuivre, et sont rigidement fixées aux électrodes par un moyen connu quelconque, par exemple par brasage ou soudage. Les extrémités des portions coupées du serpentin peuvent être emmanchées avec serrage sur une partie filetée des douilles 9; la jonction étant rendue étanche par n'importe quel procédé connu, par exemple avec utilisation d'une résine époxyde. De la sorte, après raccordement de tous les canaux des électrodes à l'aide de tubes isolants et de douilles, et après remplissage de toute la voie par l'agent de refroidissement, de préférence par l'eau courante, il devient possible d'assurer la circulation continue de l'eau dans des sens mutuellement opposés dans les tubes et les canaux mutuellement voisins, et d'obtenir un contact électrique au moyen de l'eau entre toutes les électrodes 2, 3 et 4 et la source 1 de particules chargées. En appliquant la tension dtancélération d'une source à haute tension (non représentée sur les figures 1 et 3) à la source de particules chargées et à l'électrode 4 du système accélérateur, on obtient un diviseur de tension entre toutes les électrodes. Ce diviseur est parcouru par un filet d'eau et les électrodes 2 et 3 sont alimentées en différentes tension proportionnellement aux longueurs des portions dudit filet entre elles, les potentiels des électrodes 1 et 4 restant inchangés. Comme la circulation de l'agent de refroidissement dans les tubes et les canaux successifs s'effectue en sens contraire, le régime thermique de tout le système est le plus favorable. Le diamètre intérieur et la longueur du serpentin 8 (figure 1) sont choisis de façon à obtenir la résistance nécessaire, c'est-à-dire en partant du courant général du diviseur et du courant dans ses portions constitutives, ainsi que de la charge thermique sur le diviseur et du régime thermique désiré pour les électrodes du canon. Comme on le sait, la conductivité de l'eau courante des réseaux urbains ne reste pas contante dans le temps : elle varie en fonction de la température de l'eau et de sa compo sition chimique. Toutefois, ces variations de la conductivité sont pratiquement sans influence sur le fonctionnement du canon, car la distribution des potentiels entre les électrodes reste inchangée. Afin de prévenir le dépit de sels, de rouille, etc sur les parois des canaux un filtre 10 et monté à l'entrée du sys- tème de refroidissement (figure 1). On peut aussi laver périodiquement les canaux avec de faibles solutions d'acides et d'alcalis. Le canon à électrons représenté sur la figure 5, avec un diviseur de tension d'accélération réalisé dans le corps du système accélérateur, comprend une source d'électrons Il émettant des particules chargées, des électrodes accélératrices 12, 13, 14 et 15 montées et fixées en des endroits spécialement adaptés à l'intérieur d'un corps commun monobloc 16. Le corps 16 est en matériau isolant, par exemple en céramique, verre organique ou résine époxyde. Le matériau du corps doit de plus être étanche au vide et mécaniquement résistant. Dans-le canon à électrons 5 représenté sur la figure 5, le système de refroidissement est constitué par un serpentin 17 bifilaire. A la différence de celui de la figure 1,le tube en U est formé par des canaux qui sont ménagés dans la masse du corps 16. Les voies vira" et "b" sont ici les canaux pour le liquide de refroidissement. Ces canaux ont une section constante sur toute la longueur du serpentin. Chaque électrode 11, 12, 13, 14 et 15, de même que dans le- dispositif décrit plus haut, possède deux canaux de même longueur et de même section transversale Chacun d'eux est raccordé à la voie correspondante du serpentin. Pour le raccordement des électrodes du système d'accélération aux branches correspondants du serpentin, des canaux radiaux 30 sont réalisées dans le corps 16 (sur la figure 5, pour plus de commodité et pour ne pas surcharger le dessin, on na pas représenté tous les canaux radiaux 30). Dans les canaux 30 sont placées des douilles de raccor dement 31 en matériau conducteur.- Les douilles 31 raccordent les canaux du serpentin 17 aux canaux des électrodes. Le raccordement doit être rendu étanche par un moyen connu quelconque choisi. La fonction du matériau du corps 16, par exemple par soudure ou à l'aide d'un anneau de caoutchouc. L'eau de refroidissement arrive par l'entrée 18 (figure 6) et s'-.en va par la sortie 19 au système de vidange. La dernière électrode accélératrice- 15 (l'électrode extrême) constitue un élément de repérage du canon à électrons, car elle est utilisée pour réaliser la fixation du système accélérateur sur le couvercle 20 de la chambre de soudage (non représentée). L'électrode accélératrice 15 est fixée à joint étanche au vide sur la portée d'assemblage du corps 16 et sur la portée d'assemblage du couvercle de la chambre 20, à l'aide de garnitures d'étanchéité appropriées 21 et 22 et de vis 23 et 24. Le centrage de toutes les électrodes et de la source d'électrons par rapport à l'axe géométrique du canon s'effectue à l'aide de gabarits, avant la coulée du matériahsolant formant le corps. Le cible à haute tension 25 venant de la source d'alimentation est engagé à travers un trou latéral du couvercle 26. Le couvercle 26 est en matériau isolant. L'étanchéité de la traversée du câble 25 dans le couvercle 26 est assurée par un presse-étoupe 27. Le couvercle 26 est fixé à joint étanche sur le corps 16 à l'aide de vis 28, une garniture d'étanchéité 29 en caoutchouc étant interposée entre eux. Une telle conception de la traversée à haute tension, en conjugaison avec l'utilisation de la source d'électrons 71 refroidie permet de supprimer le remplissage de la partie supérieure du canon avec isolant liquide ou un isolant gazeux sous pression et par conséquent, de réduire la durée du réglage et du changement de réglage du canon pendant le fonctionnement, d'augmenter la rigidité diélectrique, d'où une augmentation de la fiabilité du canon tout entier. Pour l'absorption des rayons X engendrés pendant le fonctionnement, le canon fermé extérieurement par des capots de protection en plomb. R E V E N D I C A T I O N S REVEDIC.ATIONS 1.- Système accélérateur d'un faisceau de particules chargées d'un canon à électrons ou à ions, du type comprenant plusieurs électrodes accélératrices disposées successivement le long de l'axe longitudinal du faisceau dans un corps en matériau isolant, un serpentin isolant pour la circulation d'un agent de refroidissement jouant en même temps le rôle d'un conducteur électrique reliée électriquement aux électrodes accélératrices et servant de diviseur de tension, caractérisé en ce que le serpentin-est bifilaire, étant composé de deux voies ; dans lune desquelles l'agent de refroidissement circule dans un sens, et dont l'autre, dans le sens contraire, et que chaque électrode possède au moins deux canaux de même section et de m8me longueur, dont l'un est raccordé à l'une des voies du serpentin, et l'autre, à l'autre voie du serpentin. 2.- Système accélérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le serpentin est formé par un tube en U enroulé hélicoldalement sur toute la longueur du système accélérateur de façon que les branches dudit tube en U constituent ledit serpentin bifilaire, dans chaque deux spires mutuellement voisines duquel l'agent de refroidissement circule en sens contraire, lesdits canaux des électrodes communiquant avectes branches correspondantes du serpentin par l'intermédiaire de douilles respectives rigidement fixées aux électrodes. 3.- Système accélérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le serpentin est constitué par des canaux ménagés dans la masse du corps isolant précité. 4.- Système accélérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le serpentin comporte, dans chaque branche, un m8me nombre de spires entre chaque deux électrodes mutuellement voisines.