Brevet FR2623330A1 — publié le 19890519

-1- Générateur d'électrons énergétiques dans un gaz La présente invention concerne la production d'un faisceau d'électrons énergétiques. On entend par là des électrons ayant une énergie comprise entre 1 et 100 keV, environ. Il est en général souhaité par les utilisateurs de tels faisceaux que cette production soit économique, et que la densité de courant et l'intensité totale des faisceaux produits soient grandes. Tel est notamment le cas lorsque le faisceau d'électrons produit est impulsionnel et destiné à frapper une cible, par exemple de tantale, pour engendrer un faisceau de rayons X, ce dernier faisceau étant destiné à préioniser une chambre à décharge d'un laser à gaz impulsionnel. On sait en effet que dans un tel laser le pompage d'un milieu d'amplification optique gazeux est réalisé par une décharge électrique dont l'homogénéité est souvent obtenue grâce à une préionisation de ce milieu par un faisceau impulsionnel de rayons X. L'énergie de ces derniers doit alors être suffisante pour qu'ils pénètrent sans pertes sensibles dans la chambre à décharge à travers une fenêtre étanche et résistante. Et leur intensité doit être suffisante pour assurer une préionisation efficace, ceci dans un court laps de temps, par exemple 20ns. Le faisceau d'électrons doit pour cela présenter une densité de courant élevée, par exem- ple 400 A/cm2. Les générateurs d'électrons énergétiques connus les plus utilisés dans une telle application sont des canons impulsionnels à cathode froide. Ils fonctionnent généralement dans un vide poussé dit vide secondaire par exemple 10-3 ou 10-4 Pa, de manière à éviter que les électrons émis par la cathode et accélérés par un champ électrique en direction d'une anode ne soient excessivement ralentis par les collisions avec le gaz résiduel. La nécessité de maintenir un tel vide élève le coût de la fabrication et de la maintenance d'un tel générateur ainsi que son encombrement. C'est pourquoi on a proposé des générateurs d'électrons fonction- nant avec une pression ambiante basse mais facile à obtenir et à maintenir. Les études de l'équipe de COLLINS à l'université de -2 - l'état du COLORADO ont porté sur des canons continus à cathode d'alumine ou de carbone, qui ont permis d'obtenir des électrons de 5 keV avec un courant de 1 A. Les cathodes sont plates ou concaves et la distance cathode-anode n'est pas critique au-delà de l'espace noir cathodique. Le rendement atteindrait 50%. Le gaz ambiant est de l'hélium et sa pression est située entre 10 et 100 Pa environ. Un tel générateur est notamment décrit dans un article de J.J.ROCCA, J.D. MEYER, M.R. FARREL, G.J. COLLINS, J. APPL. Phys. 56, 790 (1984). Il sera appelé ci-après le générateur de Collins. D'autres canons à électrons fonctionnant dans de l'hélium à basse pression ont été décrits dans divers articles notamment les suivants: C.H. H. CARMICHAEL, R.K. GARNSWORTHY, L.E.S. MATHIAS, Re. Sci. Instrum. 44, 701 (1973). P.A. BOKLAN and G.V. KOLBYCHEV, Sov. Phys. Tech. Phys. 26, 1057 (1981) G. V. KOLBYCHEV and I.V. PLASHNIK, Sov. Tech. Phys. Lett. 11, 458 (1985). Ils apparaissent moins-avantageux que le générateur de Collins. Dans ce dernier générateur le ralentissement des électrons par les collisions avec le gaz ambiant est rendu peu important par l'utilisation d'une tension d'accélération suffisamment haute (par exemple 8 KV et plus) et associée à une pression suffisamment basse pour qu'une fraction importante des électrons émis par la cathode acquierent, avant de rencontrer une molécule du gaz ambiant, une énergie suffisante pour que la section efficace de collision, soit fortement diminuée. On sait que cette section efficace représente la probabilité de collision avec ces molécules. De tels électrons sont- connus sous l'appelation internationale "runaway electrons" et seront appelés ci-après électrons filants. La faible probalité de leur ralentissement par collisions leur permet d'acquerir, dans leur parcours de la cathode à l'anode, une énergie qui est une fraction majoritaire de celle qui leur serait fournie dans le vide par le champ accélérateur. -3- Malheureusement les haute tension et faible pression utilisées favorisent les décharges entre les supports de la cathode et de l'anode, ce qui empêche l'obtention d'une décharge diffuse stable à haute densité de courant dans l'intervalle cathode-anode. Il est donc nécessaire de prévoir des revêtements d'isolement électrique sur les supports de la cathode et de l'anode, ce qui complique la réalisation du générateur. La présente invention a pour but de permettre de produire des électrons énergétiques d'une manière plus simple et économique avec des densités de courant au moins instantanées très élevées et un rendement de production proche de celui obtenu en vide secon- daire. Le générateur selon la présente invention présente un certain nombre de dispositions qui sont connues en elles mêmes par le généra- teur de Collins. Selon ces dispositions il comporte: - une enceinte, - un gaz ambiant dans cette enceinte, ce gaz étant choisi pour que ses molécules présentent une faible section efficace de collision pour lesdits électrons énergétiques, la pression de ce gaz étant appelée ci- après pression ambiante, - une anode dans cette enceinte, - une cathode dans cette enceinte, cette cathode présentant une face d'émission en regard de ladite anode, cette face d'émission comportant des moyens de renforcement d'émission pour augmenter le débit d'électrons qu'elle peut émettre par unité de surface, - des moyens de support diélectriques pour maintenir cette anode et cette cathode, - et une source de courant électrique pour appliquer un champ accéléra- teur dirigé de ladite anode vers ladite cathode pour que des électrons s'échappant de ladite face d'émission de ladite cathode se dirigent vers ladite anode à travers ledit gaz ambiant et pour que ces électrons soient accélérés par ce champ, - la longueur de contournement sur la surface diélectrique des dits moyens de support étant suffisamment grande pour éviter tout arc de surface, ->4- - ladite pression ambiante étant choisie suffisamment petite pour éviter pour permettre la production d'électrons filants, - le rapport dudit champ accélérateur à ladite pression ambiante étant choisi suffisamment grand pour créer une décharge diffuse dans laquelle les électrons émis par ladite cathode acquièrent en majorité d'abord une énergie suffisante pour diminuer sensiblement leur section efficace de collision avec les molécules dudit gaz ambiant de sorte qu'ils acquièrent ensuite plus d'énergie entre deux collisions qu'ils n'en perdent lors de chaque collision, en moyenne, Jusqu'à acquerir suffisamment d'énergie pour constituer lesdits électrons énergétiques. Par rapport au générateur de Collins le générateur selon la présente invention est caractérisé par le fait que ladite fce d'émission est constituée par une section d'une plaque d'émission qui fait partie de ladite cathode et qui est constituée d'un matériau fibreux présentant une orientation privilégiée coupée par cette section. Plus précisément cette plaque d'émission présente deux faces principales opposées, une longueur et une largeur selon une direction longitudinale et une direction d'émission, respectivement, ces deux directions étant parallèles à ces deux faces principals, cette longueur étant aussi celle de ladite face d'émission. Ele présente en outre une épaisseur selon une direction transversale perpendiculaire à ces deux faces principales, cette épaisseur cons- tituant une largeur de ladite face d'émission. Elle est constituée de fibres qui sont entrelacées pour lui donner une cohésion. Certaines au moins de ces fibres sont des fibres conductrices présentant une conductivité électrique limitée. Ces fibres conductrices sont disposées au moins localement avec une orientation qui privilégie ladite direction d'émission au moins par rapport à ladite direction transversale de manière que la densité superficielle d'extrémités libres desdites fibres conductrices soit plus grande sur ladite face d'émission que sur lesdites faces principales. Celles desdites fibres conductrices qui ont une extrémité dans ladite face d'émission sont appelées ci-après fibres d'émission. Ladite cathode comporte en outre un support de plaque d'émission -5- en retrait par rapport à ladite face d'émission. Ce support est au contact d'une bande de maintien constituée par une partie de la largeur de ladite plaque d'émission à distance de ladite face d'émission pour maintenir cette plaque d'émission par l'intermédiaire de cette bande de maintien. Il reste en deça d'une bande exposée qui est constituée par la partie restante de la largeur de ladite plaque d'émission Jusqu'à ladite face d'émission. Il est électriquement conducteur et il est connecté à ladite source de courant électrique pour alimenter électriquement lesdites fibres d'émission à partir de ladite bande de maintien. De ces dispositions adoptées selon la présente invention il résulte qu'une grande densité superficielle desdites extrémités de fibres conductrices dans ladite face d'émission favorise l'émission d'électrons par cette face alors qu'une petite densité de telles extrémités dans lesdites faces principales contribue à éviter une telle émission par ces faces dans ladite bande exposée. Quant au dit support de plaque d'émission, sa position en retrait par rapport à ladite surface d'émission évite l'émission d'électrons à partir de la surface de ce support. Par ailleurs la résistance électrique desdites fibres d'émission homogénéise l'émission d'électrons sur la surface de ladite face d'émission. Selon la présente invention on peut adopter en outre les dispositions parfois préférées suivantes: - Si on définit un rapport d'orientation de ladite plaque d'émission comme étant le rapport des densités superficielles d'extré- mités libres desdites fibres conductrices dans ladite face d'émission et dans lesdites faces principales, ce rapport est supérieur à deux et, de préférence encore, à dix. - Ladite plaque d'émission est homogène et constituée par lesdites fibres conductrices de manière à en permettre une fabrication simple. - Ladite plaque d'émission est constituée par un feutre cardé selon ladite direction d'émission et modérément aiguilleté pour lui donner une cohésion tout en ne faisant apparaître qu'un nombre modéré d'extrémités libres de fibres dans lesdites faces principales, -6- ce nombre étant de préférence très petit. - Ce feutre est un feutre de carbone et ses fibres présentent un diamètre compris entre 1 et 100 micromètres, et de préférence entre 4 et 20 micromètres. (Il est a remarquer que de telles plaques d'émission en feutre de carbone ont déjà été utilisée pour constituer la face d'émission de la cathode d'un canon à électrons. Une telle utilisation est décrite dans un article de G.F. Erickson and PN Mace, Rev Sci. Instrum, 54,585/1183). Mais il s'agissait d'un canon fonctionnant dans le vide et non avec des électrons filants dans un gaz, et le profit n'était pas tiré comme selon la présente invention de l'orientation privilégiée qui peut présenter le matériau d'une telle plaque d'émission, alors que selon cette invention, une orientation convenable d'une telle plaque d'émission suffit pour augmenter fortement le rendement d'un générateur fonctionnant dans un gaz). - Ladite bande exposée a une largeur comprise entre 1 et mm, ladite pression ambiante étant comprise entre 10 et 50 Pa, ledit champ accélérateur étant compris entre 5.105 et 20. 105 V/cm, la distance de ladite face d'émission à ladite anode étant supérieure à 2 mm. - Lesdites fibres présentent une résistivité comprise entre 3.10-3 et 4.10-3 Ohm x cm. - Ledit gaz ambiant est de l'hélium. - Ladite anode est un bloc de métal lourd et ladite source de courant électrique est une source d'impulsion électrique de manière à constituer un canon impulsionnel à rayons X. A l'aide des figures schématiques, cijointes, on va décrire plus particulièrement ci-après, à titre d'exemple non limitatif, comment la présente invention peut être mise en oeuvre dans le cadre de l'exposé qui en a été donné ci-dessus. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence. Le mode de mise en oeuvre donné en exemple comporte les dispositions parfois préférées mentionnées ci-dessus. Il doit être compris que les éléments mentionnés peuvent -7- être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques. La figure 1 représente une vue en coupe d'un générateur selon l'invention. La figure 2 représente une vue à échelle agrandie d'un détail II de la figure 1. La figure 3 représente une vue de face à échelle agrandie de la plaque d'émission du générateur de la figure 1. Sur la figure 1 ladite enceinte est représentée en 2. Elle est constituée de polyméthacrylate de methyle. Ledit gaz ambiant dans cette enceinte est de l'hélium et sa dite pression ambiante est de 20 Pa. Ladite direction longitudinale est perpendiculaire au plan de la figure 1. Elle est représentée en DL sur la figure 3. Ladite anode est représentée en 4.-Elle est constituée par un bloc de tantale et elle présente une face utile 6. Cette face est inclinée à 45 degrés pour recevoir des électrons 12 et émettre en réponse des rayons X 14 à travers une fenêtre 8 formée par une partie amincie de la paroi de l'enceinte 2. L'épaisseur de cette fenêtre est de 2mm. Ladite direction d'émission DE est perpendiculaire à cette face utile et ladite direction transversale DT lui est parallèle. Ladite cathode est représentée en 10. Elle comporte ledit support métallique 16 et ladite plaque d'émission 18 qui sont repré- sentés plus en détail sur les figures 2 et 3. L'anode 4, la fenêtre 8 et la cathode 6 s'étendent selon ladite direction longitudinale sur une longueur de 150 mm. L'anode 4 a, selon ladite direction transversale, une largeur de 10 mm. L'intervalle entre elle et la cathode 10 est de 4 à 6 mm. Ladite source de courant électrique est un générateur de Marx 20 qui applique à l'anode 4 une impulsion de 60 kV durant ns avec une intensité de crête de 1,2 kA, par l'intermédiaire d'un conducteur 22, la cathode 10 étant à la masse. Conformément aux figures 2 et 3 la plaque d'émission 18 est maintenue dans le support 16 par l'intermédiaire de deux lames -8- minces d'acier inoxydable telles que 26 qui sont dinsosés sur les deux dites faces principales telles que 28 de la plaque d'émission 18. Ces lames recouvrent une partie seulement de la largeur de ces faces, cette largeur étant mesurée selon la direction d'émission DE. Cette partie constitue ladite bande de maintien 30 au dessous d'une ligne tiretée 32 sur la figure 3, la partie 34 située au dessus constituant ladite bande exposée. Le l:e ibre de cette dernière constitue ladite face d'émission 36 en regard de l'anoce 4. Cette face sera considérée ci-après comme une face supérieure de la plaque d'émission 18. Une partie inférieure de la largeur des deux lames telles que 26 avec la plaque d'émission 18, interposée, est disposée dans une rainure longitudinale creusée dans le somr.t du support 16 pour maintenir l'ensemble constitué par la plaque d'amission 18 et ces deux lames. Une vis 38 appuie sur l'une de ces deux lames selon ladite direction transversale pour serrer la plaque d'émission 18 entre ces deux lames dans ladite bande de maintien. Cette plaque 18 étant déformable prend une épaisseur diminuée dans cette bande. Dans la bande exposée 34 son épaisseur, c'est-à-dire la largeur de la face d'émission 36, est de 2mm, la largeur de cette bande étant de 4 mm. La plaque d'émission 38 est arrondie en 40 à ses deux extrémités longitudinales, comme représenté sur la figure 3 pour éviter un renforcement local du champ:électrique et de l'émission d'électrons. La plaque d'émission T8 est faite d'un feutre de carbone du type vendu par exemple par la Société Française LE CARBONE LL..P'INE sous la référence RVG 1000, par exemple pour constituer des ccroae thermiquement isolantes pour des fours sous vide. Ce feutre est obtenu par cardage de fibres de rayonne, puis aiuilletage modéré, puis carbonisation à une température suffisamment élevée pour assurer une transformation partielle sensible du carbone en graphite. Les diamètres des fibres de ce feutre vont de 5 à 12 micromètres avec une majorité aux environs de 7 à 8 micromètres. Leur rés : _ ité est de 3,5. 10 3 Ohm x cm. Ledit rapport d'orientation est de 20 ou plus. -9- Bien entendu d'autres matériaux fibreux peuvent être utilisés si leurs fibres sont fines et présentent une résitivité électrique convenable et une température de vaporisation suffisamment élevée pour ne pas polluer le gaz ambiant après l'émission de plusieurs impulsions de rayons X. Des tissus peuvent convenir. La plaque d'émission 18 est arrondie en 40 à ses deux extrémités longitudinales comme représenté sur la figure 3 pour éviter un renforcement local du champ électrique et de l'émission d'électrons. Le générateur selon l'invention a fourni une intensité électro- nique de 300 A/cm2 et un rendement de production atteignant 80 % de celui qui est obtenu dans un vide secondaire. 3u - 10 - REVENDICATIONS: 1/ Générateur d'électrons énergétiques dans un gaz, ce générateur comportant: - une enceinte (2), - un gaz ambiant dans cette enceinte, ce gaz étant choisi pour que ses molécules présentent une faible sectiod efficace de collision pour lesdits électrons énergétiques, la pression de ce gaz étant appelée ci-après pression ambiante, - une anode (4) dans cette enceinte, - une cathode (10) dans cette enceinte, cette cathode présentant une face d'émission (36) en regard de ladite anode, cette face d'émission comportant des moyens de renforcement d'émission pour augmenter le débit d'électrons qu'elle peut émettre par unité de surface, - des moyens de support diélectriques pour maintenir cette anode et cette cathode, - et une source de courant électrique (20) pour appliquer un champ accélérateur dirigé de ladite anode vers ladite cathode pour que des électrons s'échappant de ladite face d'émission de ladite cathode se dirigent vers ladite anode à travers ledit gaz ambiant et pour que ces électrons soient accélérés par ce champ, - la longueur de contournement sur la surface diélectrique des dits moyens de support étant suffisamment grande pour éviter tout arc de surface, - ladite pression ambiante étant choisie suffisamment petite pour permettre la production d'électrons filants, - le rapport dudit champ accélérateur à ladite pression ambiante étant choisi suffisamment grand pour créer une décharge diffuse dans laquelle les électrons émis par ladite cathode acquièrent en majorité d'abord une énergie suffisante pour diminuer sensiblement leur section efficace de collision avec les molécules dudit gaz ambiant de sorte qu'ils acquièrent ensuite plus d'énergie entre deux collisions qu'ils n'en perdent lors de chaque collision, en moyenne, Jusqu'à acquerir suffisamment d'énergie pour constituer lesdits électrons énergétiques, - 11 - - ce générateur étant caractérisé par le fait que ladite face d'émis- sion (36) est constituée par une section d'une plaque d'émission (18) qui fait partie de ladite cathode (10) et qui est constituée d'un matériau fibreux présentant une orientation privilégiée coupée par cette section, cette plaque d'émission présentant deux faces principales opposées (28), une longueur et une largeur selon une direction longitudinale (DL) et une direction d'émission (DE), respectivement, ces deux directions étant parallèles à ces deux faces principales, cette plaque présentant en outre une épaisseur selon une direction transver- sale (DT) perpendiculaire à ces deux faces principales, cette épaisseur constituant une largeur de ladite face d'émission, cette longueur étant une longueur de cette face, cette plaque d'émission étant constituée de fibres qui sont entrelacées pour lui donner une cohésion, certaines au moins de ces fibres étant des fibres conductrices présentant une conductivité électrique limitée, ces fibres conductrices étant disposées au moins localement avec une orientation qui privilégie ladite direction d'émission au moins par rapport à ladite direction transversale de manière que la densité superficielle d'extrémités libres desdites fibres conductrices soit plus grande sur ladite face d'émission (36) que sur lesdites faces principales (28), celles desdites fibres conductrices qui ont une extrémité dans ladite face d'émission étant des fibres d'émission, - ladite cathode comportant en outre un support de plaque d'émission (16) en retrait par rapport à ladite face d'émission, ce support étant au contact d'une bande de maintien (30) constituée par une partie de la largeur de ladite plaque d'émission (18) à distance de ladite face d'émission pour maintenir cette plaque d'émission par l'intermédiaire de cette bande de maintien, ce support restant en deça d'une bande exposée (34) qui est constituée par la partie restante de la largeur de ladite plaque d'émission jusqu'à ladite face d'émission, ce support étant électriquement conducteur et étant connecté à ladite source de courant électrique (20) pour alimenter électriquement lesdites fibres d'émission à partir de ladite bande de maintien (30), de manière qu'une grande densité - 12 - superficielle desdites extrémités de fibres conductrices dans ladite face d'émission favorise l'émission d'électrons par cette face alors qu'une petite densité de telles extrémités dans desdites faces principales de ladite plaque d'émission contribue à éviter une telle émission par ces faces dans ladite bande exposée, de manière encore que la position dudit support de plaque d'émission en retrait par rapport à ladite surface d'émission évite l'émission d'électrons à partir de la surface de ce support, et de manière enfin que la résistance électrique desdites fibres d'émission homogé- néise l'émission d'électrons sur la surface de ladite face d'émission. 2/ Générateur selon la revendication 1, dans lequel un rapport d'orientation de ladite plaque d'émission (18) est supérieur à deux, ce rapport étant le rapport des densités superficielles d'extré- mités libres desdites fibres conductrices dans ladite face d'émission (36) et dans lesdites faces principales (28). 3/ Générateur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ladite plaque d'émission (18) est homogène et constituée par lesdites fibres conductrices de manière à en permettre une fabrication simple. 4/ Générateur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ladite plaque d'émission (18) est constituée par un feutre cardé selon ladite direction d'émission (DE) et modérément aiguilleté pour lui donner une cohésion en ne faisant apparaître qu'un nombre modéré d'extrémités libres de fibres dans lesdites faces principa- les (28). / Générateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdites fibres d'émission ont un diamètre compris entre 1 et 100 micromètres. 6/ Générateur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que ladite bande exposée (34) a une largeur comprise entre 1 et 16 mm, ladite pression ambiante étant comprise entre 10 et 50 Pa, 5 ledit champ accélérateur étant compris entre 5.10 et 20 10 V/cm, la distance de ladite face d'émission à ladite anode (4) étant supérieure à 2 mm. 7/ Générateur selon la revendication 6, caractérisé par le fait - 13 - que lesdites fibres d'émission sont constituées par du carbone avec une résistivité comprise entre 3.10-3 et 4.10-3 Ohm x cm. 8/ Générateur selon la revendication 6, dans lequel ledit gaz ambiant est de l'hélium. 9/ Générateur selon la revendication 8, dans lequel ladite anode (4) est un bloc de métal lourd et ladite source de courant électrique (20) est une source d'impulsion électrique de manière à constituer un canon impulsionnel à rayons X.