Brevet FR2526259A1 — publié le 19831104

La présente invention se rapporte au domaine des appareils radiologiques et plus précisément aux appareils radiologiques à grande puissance fonctionnant par impulsions dans la gamme des nanosecondes. L'invention peut eAtre appliquée à l'étude des phé nomènes hydrodynamiques rapides, de physique des ondes de chocs et de détonations dans les liquides et dans les poudres, des chocs à grande vitesse et à l'étude de la soudure par explosion. On connalt un appareil radiologique comportant un tube à rayons X placé dans un corps et un transformateur éleveur d'impulsions, dont l'enroulement primaire est constitué par plusieurs spires unitaires de fil reliées à travers un éclateur de commutation à un dispositif de charge, tandis que l'enroulement secondaire est constitué par deux bobines à couche unique enroulées en sens opposés, l'extrémité de la première bobine étant raccordée au début de la seconde, qui sont raccordées par un tronçon de fil à l'anode du tube à rayons X, tandis que le début de la première bobine et l'extrémité de la seconde sont reliés à un écran métallique disposé entre les enroulements du transformateur et la cathode du tube (voir, par exemple, le certificat d'auteur de l'URSS NO 274245 appartenant à la classe H05G1/24). Dans cet appareil le condensateur de décharge est formé par la capacité anode-cathode du tube à rayons X et par a capacité entre les spires de l'enroulement secondaire et le corps de l'appareil. C'est pourquoi le condensateur de décharge possède une faible capacité, ce qui limite l'énergie accumulée dans celui-ci et réduit ainsi la puissance et la dose de l'impulsion de rayonnement X. La longueur de fil raccordant l'enroulement secondaire à l'anode du tube à rayons X possède une inductance importante, ce qui accrort l'impédance du circuit de décharge condensateur de décharge - conducteur de raccordement (une longueur de fil) - tube à rayons X. Ceci limite le courant de de charge passant à travers le tube au moment de sa décharge, ou claquage, et prolonge la durée de l'impulsion en réduisant son amplitude. La réalisation de l'enroulement primaire sous la forme de spire s de fil fait crotte son inductance, ce qui prolonge le temps de croissance de la haute tension dans l'en- roulement secondaire et réduit respectivement la rigidité diélectrique de l'appareil. On connaît également un appareil radiologique à impulsio.ls, comportant un tube à rayons X à impulsions, un condensateur de décharge relié au tube à rayons X, et un transformateur d'impulsions dont l'enroulement primaire est réalisé en forme de cylindre creux raccordé au dispositif de charge, et dont l'enroulement secondaire est constitué par un co- ne tronqué, disposé coaxialement par rapport à l'enroulement primaire et à l'intérieur-de ce dernier, et qui est raccordé au condensateur de décharge (voir, par exemple, le certificat d'auteur de l'URSS NO 126962, classe H05 G-l/22). Dans l'appareil indiqué le condensateur de décharge est formé par la capacité entre les spires de l'enroule- ment primaire d'une part et les dernières spires de l'enrou- lement secondaire d'autre part du transformateur et de la capacité anode-cathode du tube à rayons X, l'enroulement secondaire étant raccordé a' à l'anode du tube par une longueur de fil. Dans l'appareil indiqué le condensateur se décharge, de meme que dans l'appareil décrit plus haut, possède une faible capacité ce qui réduit la puissance et la dose de 1' impulsion de rayonnement X. La longueur de fil raccordant l'enroulement secondaire a l'anode au tube à rayons X possède également une forte inductance, ce qui fait croître l'impédance du circuit de décharge, c'est-à-dire qu'il limite le courant de décharge circulant à travers le tube lors de la décharge électrique et de ce fait prolonge la durée de l'impulsion du rayonnement à rayons X et réduit son amplitude. D'autre part au cours de la génération d'une haute tension dans la capacité parasite de toutes les spires de l'enroulement secondaire par rapport a l'enroulement primaire s'accumule une énergie considérable, qui, du fait de la forte inductance de ltenroulement secondaire, n'est pas appliquée au tube lors de sa décharge. Ceci entraîne des pertes indésirables de la puissance utile de l'appareil. La présente invention est basée sur le problème de la création d'un appareil radiologique à impulsions dont le condensateur de décharge est réalisé de façon à assurer l'accroissement de la capacité de ce condensateur et a réduire l'inductance du circuit de décharge de l'appareil et les pertes de sa puissance utile. Ce but est atteint à l'aide d'un appareil radiolo otique comportant un tube à rayons X à impulsions, un condensateur de décharge relié au tube à rayons X et un transformateur d'impulsions, dont l'enroulement primaire est réalisé en forme de cylindre creux et est raccordé à un dispositif de charge, tandis que son enroulement secondaire est réalisé sous la forme d'un cone tronqué disposé coaxialement par rapport à l'enroulement primaire et à l'intérieur de ce dernier et est relié au condensateur de décharge, ledit appareil radiologique étant, selon l'invention, caractérisé en ce que le condensateur de décharge comporte deux cylindres disposés coaxialement, le cylindre extérieur étant relié au tube à rayons X et placé entre les enroulements primaire et secondaire du transformateur d'impulsions et relié à l'extrémité à basse tension du transformateur d'impulsions, tandis que le cylindre intérieur, également relié au tube à rayons X, est disposé coaxialement à l'intérieur de l'enroùlement secondaire du transformateur d'impulsions, et est relié à l'ex- trémité haute tension de cet enroulement, des fenêtres laissant passer le champ magnétique créé par les enroulements du transformateur d'impulsions étant en outre ménagées dans les cylindres du condensateur de décharge. Il est avantageux -que le condensateur de décharge contienne un cylindre supplémentaire dispose coaxialement à l'inter-eur cu cylindre interne - condensateur de décharge et relié électriquement au cylindre interne de ce condensapeur, et que des fenêtres soient ménagées pour laisser passer le champ magnétique cré par les enroulements du trans formateur d'impulsions. T, est également avantageux que les cylindres du condensateur de décharge aient pour longueur superieure à celle des enroulements primaire et secondaire, respectivement, Ü transformateur d'impulsions, et que les nôtres soient des orifices disposés sur les tronçons opposés respectifs des cylindres du condensateur de décharge s'étendant au-ielà des limites de la longueur des enroulements primaire et secondai- re du transformateur d'impulsions, ces orifices étant reliés entre eux deux à deux par des fentes. I1 est rationnel de raccorder les cylindres du condensateur de décharge, reliés à l'enroulement secondaire du transformateur d'impulsions, au tube à rayons X au moyen de conducteurs coniques. Du fait què le condensateur de décharge est réalisé avec deux cylindres disposés coaxialement, et que ltenrou- lement secondaire est situé entre eux, afin d'éviter l'accumulation de la charge sur les capacits parasites des spires de l'enroulement secondaire et la distorsion du champ électrique entre les cylindres du condensateur de décharge, il est avantageux que le pas des spires de l'enroulement secondaire du transformateur d'impulsions soit choisi directement proportionnel au cube du rayon variant dans le sens d'une spire à plus grand rayon vers une spire à moindre rayon. Une telle réalisation de l'appareil à rayons X à impulsions selon l'invention assure une augmentation sensible de la capacité de décharge tout en maintenant un coefficient de couplage élevé entre les enroulements du transformateur, c'est-a'-dire en assurant l'accumulation d'une énergie importante dans le condensateur de décharge, et permet de réduire considérablement l'inductance du circuit de décharge, c'est-à-dire de réduire la durée et d'augmenter l'amplitude de l'impulsion du courant de décharge à travers le tube à rayons X et de réduire les pertes de la puissance utile dans les capacités parasites de l'appareil. Tout ceci permet d'obtenir une brève impulsion de rayonnement à une forte puissance. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante donnée à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la Fig. 1 montre un appareil à rayons X à impulsions selon l'invention avec arrachement partiel - la Fig. 2 illustre une autre variante de réalisation de l'appareil à rayons X selon l'invention avec arrachement partiel - la Fig. 3 est un schéma général de l'appareil de la Fig. 2. L'appareil à rayons X à impulsions selon l'invention comporte un tube à rayons X(l)à impulsions (Fig.l), un condensateur de décharge 2 relié au tube 1 et un transformateur dtimpulsions 3. L'enroulement primaire 4 du transformateur 3 est réalisé sous la forme d'un cylindre creux et est raccordé à un un'dispositif de charge 5, tandis que l'enroule- ment secondaire 6 est réalisé sous la forme d'un cane tronqué 6, disposé coaxialement par rapport à l'enroulement primaire 4i disposé à l'intérieur de ce dernier et relié au condensateur de décharge 2. Le condensateur de décharge 2 comporte deux cylindres montés coaxialement w un cylindre externe 7 et un cylindre interne 8. Le cylindre 7 relié au tube à rayons X(1) est disposé entre l'enroulement primaire 4 et l'enroulement secondaire 6 du transformateur d'impulsions 3 et est relié à l'extrémité basse tension 9 de l'enroulement secondaire 6 du transformateur 3. Le cylindre 8 est également relié au tube à rayons 1 et est disposé à l'intérieur de l'enroulement secondaire 6 du transformateur 3, coaxialement ä celui-ci et est relié à l'extremité à haute tension 10 de l'enroulement o.Les cylindres 7 et 8 ont une longueur superieure à celle des enroulements primaire 4 et secondaire 6 du transformateur 3 respectivement, comme ceci est mis en évidence par la Fig. l. Dans les cylindres 7 et 8 du condensateur 2 sont pratiquées des fenêtres Il et 12 respectivement pour laisser passer le champ magnétique créé par les enroulements 4 et 6 du transformateur 3. Les fentes 11 et 12 sont réalisées sous la forme d'orifices 13 et 14 sur les parties opposées des cylindres 7 et 8, dépassant au-delà de la longueur de ltenroulement primaire 4 et de l'enroulement secondaire 6 respectivement. Les orifices 13 et 14 sur les parties opposées des cylindres 7 et 9 sont reliés deux à deux par des fentes 15 et 16 respectivement. Les cylindres 7 et 8 du condensateur de décharge 2 sont raccordés au tube à rayons X(l) au moyen de conducteurs côniques 17 et 18, respectivement. Dans l'appareil selon l'invention le pas des spires de l'enroulement secondaire 6 du transformateur d'impulsions 3 est choisi directement proportionnel au cube du rayon variant dans le sens de la flêche A de la spire de plus grand rayon vers la spire de rayon plus petit. Le dispositif de décharge comporte un condensateur 19 et un éclateur commutateur 20 couplés en série avec l'en- roulement primaire 4 du transformateur d'impulsions 3. Selon la variante de réalisation de l'appareil radiologique à impulsions représentée sur les Fig. 2 et 3 il est prévu dans le condensateur de décharge 2 un autre cylindre 21 monté coaxialement à l'intérieur du cylindre 8 et relié électriquement au cylindre 7. La longueur du cylindre 21 est supérieure à celle de l'enroulement secondaire 6. Dans le cylindre 21 (Fig.2) sont ménagées des fenôtres 22 pour laisser passer le champ magnétique créé par les enroulements 4 et ó du transformateur 3. Les fentes 22 sont réalisées sous la forme d'orifices 23 ;disposés sur les parties opposées du cylindre 21 qui s'étendent au-delà des limites de la longueur de l'enroulement secondaire 6. Les orifices 23 indiqués se trouvant sur les parties opposées du cylindre 21 sont reliées deux par deux au moyen de fentes 24. Les cylindres du condensateur de décharge peuvent être réalisés en métal ou sous forme de cylindres en mati2re diélectrique à la surface desquels est coulée une feuille métallique, dans laquelle sont pratiquées des fenêtres. Dans l'appareil selon les Fig. 1 à 3 le cylindre externe en ma- tière diélectrique peut servir simultanément de corps étanche pour remplir l'appareil radiologique d'huile de transformateur ou d'un autre liquide ou gaz isolant. Le principe de fonctionnement de l'appareil radiologique à impulsions selon l'invention est le suivant Lorsque une impulsion de tension est envoyée à l'enroulement primaire 4 (Fig.l) du transformateur 3 il ap naratt dans celvi-ci un courant créant un champ magnétique alternatif, qui doit pénétrer dans le volume interne de l'appareil. Pour accrottre la capacité du condensateur de décharge 2, la longueur des cylindres 7 et 8 est prévue supérieure à la longueur de l'enroulement primaire 4 et de l'enroulement secondaire 6 du transformateur 3. Cependant le champ magnétique alternatif crée dans les cylindres 7 et 8 des courants tourbillonnaires qui empêchent le passage du champ magnéto que dans le volume interne de l'appareil et réduisent le taux de couplage des enroulements du transformateur. enfin d'éviter ceci dans les cylindres 7 et 8 sont ménagées des fentes tres ll et 12, qui sont constituées par des orifices 13 et 14 situés au-dela de la zone des enroulements primaire 4 et secondaire 6. Le champ magnétique de l'enroulement primaire 4, qui comporte dans ces domaines une composante radiale passe dans le volume interne à travers les orifices 13 et 14 des cylindres 7 et 8.La composante axiale du champ magnétique alternatif crée dans les cylindres 7 et 8 des courants tourbillonnaires dont le sens est opposé à celui du courant de l'enroulenent prinaire 4 et CJÎ empêchent le passage du cha=ìp magnétique dans le sns axial. ses fentes 15 et lô reliant une paire d'orifices 13 ou i4 empêchent le bouclage des couraits tourbillonnains précités et assurent, en conjugaison avec les orifices 13 e 11 le passage du champ magne tique dans le volume interne de l'appareil. La suflace totale des fenêtres li doit vôtre au moins r'aîe à la section transversale du cylindre externe 7. Ceci permet ne creer dans le volume occupé par l'enroulement secondaire 6 un champ magnétique d'intensité maximale régu- lière dans le sens de sa longueur et dans le sens radial et d'assurer un coefficient de couplage enlevé de l'enroulement primaire 4 avec les premieres spires de l'enroulement secondaire 6 (avec les spires à rayon maximal). Les fentes 12 du cylindre 8 permettent la pénétration du champ- magnétique dans la partie centrale du volume de l'appareil et assurent un couplage efficace du flux magnétique avec les spires suivantes de l'enroulement secondaire 6 (spires à rayon minimal). Les courants tourbillonnaires dans les cylindres 7 et 8 n'apparaissent pas dans le sens axial car le flux magnétique passant par chaque paire d'ouvertures 13 ou 14 traverse celles-ci en sens opposés, ce qui signifie que le flux total passant à travers une paire de fentes 11 ou 12 est nul. La longueur de l'enroulement secondaire 6 ne doit pas dépasser la longueur de l'enroulement primaire 4 afin que le flux magnétique créé par l'enroulement 4 traverse toutes les spires de l'enroulement secondaire 6. D'autre part, la longueur de l'enroulement secondaire 6 doit être supérieure à la distance de claquage électrique superficiel par la tension de travail de la surface de la carcasse diélectrique portant l'enroulement secondaire 6. L'enroulement secondaire 6 est à couche unique avec un pas variable, qui diminue vers l'extrémité à haute tension 10 de l'enroulement. L'enroulement secondaire 6 est réalisé à pas variable pour les raisons suivantes. Il existe entre les cylindres 7 et 8 du condensateur de décharge 2 une répartition déterminée du potentiel électrique Par ailleurs sur chaque spire de l'enroulement secondaire 6 apparatt une répartition de la f.é.m. d'induction créée par le champ alternatif. Si la répartition du potentiel entre les cylindres 7 et 8 du condensateur de décharge 2 diffère de la répartition de la f.é.m. induite dans les spires, le champ electrique du condensateur 2 est oéfor- mé et chaque spire de l'enroulement 6 accumule en résultat une charge électrique.Ceci entrain l'accumulation d'une énergie importante dans la capacité parasite de l'enroulement 6, qui lors du percement du tube à rayons X ne se transforme pas en rayonnement. Gracie au pas variable de l'enroulement 6 on fait correspondre au potentiel la f.é.m. induite sur les spires, ctest pourquoi le champ électrique à l'intérieur du condensateur de décharge 2 n'est pas déformé. Dans ce cas la charge sur chaque spire de ltenroulement 6 est nulle, lté- nergie ne s'accumule pas dans la capacité parasite et il n'y a pas de surtensions sur les spires ce qui améiiore la rigidité diélectrique de l'appareil et fait croître son rendement.Lorsque le champ magnétique dans le volume du transformateur 3 est régulier, si les cylindres 7 et 8 du condensateur de décharge 2 sont coaxiaux, le pas-des spires doit varier proportionnellement au cube du rayon dans le sens de la flèche A de la spire ayant le plus grand rayon vers la spire ayant le plus petit rayon. Ainsi la disposition de l'enroulement secondaire 6 entre les cylindres coaxiaux 7 et 8 du condensateur de décharge 2 et le pas variable de l'enroulement secondaire 6 permettent d'éliminer les pertes d'énergie dans la capacité parasite de l'enroulement secondaire 6 du transformateur 3. L'augmentation substantielle de la capacité du condensateur de décharge 2 en conjugaison avec l'augmentation de l'énergie accumulée prolongent la durée de la décharge de ce condensateur à travers le tube, ce qui est indésira ble. Dans le but d'éviter ce prolongement et de maintenir la faible durée d'impulsion du rayonnement radiologique, ainsi que pour accroître son amplitude, il faut réduire sensiblement l'inductance du circuit de décharge. A cet effet le cylindre 7 est relié par un conducteur unique à la cathode du tube à rayons Xi1), tandis que le cylindre 8 est relié également par un conducteur unique 18 à l'anode du tube x(î). Grace au système de fentes ll et la décrit plus haut les conducteurs côniques 17 et 18 s'avèrent en dehors du champ magnétique. Cest pourquoi ils sont réalisés massifs, ce qui permet de réduire considérablement l'inductance du circuit de décharge (condensateur ae décharge - tube à rayons S) et permet de réduire respectivement la durée et d'augmenter l'intensité de l'impulsion de rayonnement. Lorsque le condensateur de décharge 2 est chargé jusqu'a' la tension de travail le tube à rayons X se décharge et toute la charge accumulée par les cylindres 7 et 8 du condensateur 2 s'écoule à travers l'intervalle entre les é- lectrodes du tube à rayons X(l) en créant une puissante impulsion de rayonnement. L'appareil radiologique à impulsions selon une autre variante de réalisation (Fig. 2 et 3) fonctionne d'une façon similaire à celle décrite plus haut pour l'appareil représenté sur la Fig. 1. La différence réside dans le fait, que pour faire croître la capacité du condensateur de décharge 2 on a introduit à l'intérieur du cylindre 8 un cylindre supplémentaire 21, qui est relié électriquement au cylindre 7. Grâce aux fentes 22 constituées par des orifices 23 ménagés dans le cylindre 21 et reliées par deux avec les fentes 24 le champ magnétique alternatif pénètre dans tout le volume interne de l'enroulement secondaire 6 du transformateur 3, ce qui assure la répartition uniforme du champ magnétique dans toute la section de l'enroulement secondaire 6. L'intensité du champ électrique croit alors vers l'axe des cylindres 7, 8, 21 dis posés coaxialement, ce qui permet de faire croRtre notablement la capacité du condensateur de décharge 2 avec de faibles dimensions radiales du cylindre 21. L'appareil radiologique à impulsions faisant l'ob- jet de la présente demande permet d'accumuler dans le condensateur de décharge une énergie importante avec une tension de travail élevée et assure le passage à travers le tube à rayons X d'un courant de décharge bref à forte amplitude et réduit les pertes d'énergie utile accumulée. Ceci permet d'obtenir une impulsion de rayonnement radiologique de courte durée, à haute rigidité, à forte puissance. R E V E N D I C A T I O N S 1 - Appareil radiologique fonctionnant par imnul- sions, comportant un tube (1) à rayons X a impulsions, un concensateur de décharge (2) relit au tube (1) à rayons X et un transformateur d'impulsions (3) dont l'enroulement print- re (A) est réalise sous la forme d1un cylindre creu et est raccordé à un dispositif de charge (5), tandis que ltenroule- ment secondaire (6) en forme de côe tronqué dispose coax a- lement par rapport à l'enroul 2 - Appareil radiologique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le condensateur de décharge (2) comporte un cylindre supplémentaire (21), disposé coaxialement a l'intérieur du cylindre interne (8) du condensateur de décharge (2) et relié électriquement au cylindre externe (7) du condensateur de décharge (2), le cylindre supplémentaire (21) possédant des fenêtres (22) laissant passer le champ magnétique créé par les enroulements (4, ó) du transformateur d'impulsions (3). 3 - Appareil radiologique selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les cylin dres (7, 8, 21) du condensateur de décharge (2) ont une longueur supérieure à celle de l'enroulement primaire (4) et de ltenroulement secondaire (6) du transformateur d'impulsions (3) respectivement, tandis que les fenêtres (11, 12, 22) sont réalisées sous la forme d'orifices (13, 14, 23) disposés respectivement sur les côtés opposé s des cylindres (7, 8, 21) du condensateur de décharge (2) s'étendant audelà des limites de la longueur des enroulements primaire (4) et secondaire (6) du transformateur d'impulsions (3) et reliés deux par deux par des fentes (15, 16, 24). 4 - Appareil radiologique selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les cylindres (7, 8) du condensateur de décharge (2) reliés à l'en- roulement secondaire (61. du transformateur d'impulsions (3) sont raccordés au tube à rayons X (1) par des conducteurs coraniques (17, 18). 5 - Appareil radiologique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le pas d'enroulement des spires de l'enroulement secondaire (6) du transformateur d'impulsions (3) est choisi proportionnel au cube du rayon variant dans le sens de la spire à plus grand rayon vers la spire à plus petit rayon.