Brevet FR2630576A1 — publié le 19891027

DESCRIPTION L'invention concerne un dispositif d'amélioration de la durée de vie et de la fiabilité d'un tube neutronique scellé à haut flux contenant un mélange gazeux deutérium-tri- tium et dans lequel une source d'ions fournit un faisceau de grande énergie projeté sur une cible pour y produire une réac- tion de fusion engendrant une émission de neutrons. Les tubes neutroniques scellés à haut flux sont utilisés dans les techniques d'examen de la matière par neu- trons rapides, thermiques, épithermiques ou froids. Les tubes actuellement disponibles ont une durée de - vie insuffisante au niveau de l'émission nécessaire pour obte- nir leur pleine efficacité dans les différentes techniques nu- cléaires: neutronographie, analyse par activation, analyse par spectrométrie Y des diffusions inélastiques ou des captu- res radiatives, diffusion des neutrons... La réaction T(d,n)4He délivrant des neutrons de 14 MeV est habituellement la plus utilisée en raison de sa grande section efficace pour des énergies de deutrons relati- vement faibles mais tout autre réaction jugée adéquate peut être utilisée. Toutefois, quelle que soit cette réaction, le nom- bre de neutrons obtenus par unité de charge transitant dans le faisceau est toujours croissant au fur et à mesure que l'éner- gie des ions dirigés vers une cible épaisse est elle-méme croissante et ceci très au delà des énergies des ions obtenus dans les tubes scellés actuellement disponibles et alimentés par une THT (très haute tension) excédant rarement 200 kV, tant pour des raisons de définition de tube que de fiabilité des générateurs THT et des organes de connexion. Parmi les phénomènes les plus importants venant li- miter la durée de vie du tube neutronique, on doit citer les défauts d'irradiation de la cible par les ions incidents et les métallisations des parois isolantes du tube. Ces deux phénomènes étant d'autant plus importants que l'intensité du faisceau est elle-même importante, on au- rait intérêt à limiter au maximum ce paramètre et donc, pour une émission neutronique donnée à utiliser de grandes tensions d'accélération. Malheureusement, contrairement au cas des tubes à. vide (rayons X par exemple), en pratique dans un tube neutro- nique scellé de conception classique, il n'est pas possible d'augmenter les dimensions du tube ce qui aurait pour consé- quence, d'une part, de faire baisser le rendement neutronique et, d'autre part de provoquer l'amorçage de décharges confor- mément à la loi de Paschen dans la gamme des basses pressions. - Un autre risque d'amorcage de décharges dans le gaz - résulte de l'effet de surface des électrodes soumises à un champ électrique élevé. Cet effet est initié par des particu- les électriques émises d'une partie du tube à potentiel néga- tif jouant le rôle de cathode placée en regard d'une autre partie du tube à potentiel positif et donc se comportant comme une anode et qu'il ne faut pas confondre avec des parties du tube ayant des dénominations identiques telles que par exemple l'anode et la cathode de la source d'ions. Ces particules ve- nant frapper d'autres molécules de matière dans le gaz ou sur les électrodes peuvent entraîner par émission secondaire une certaine amplification de l'émission et parvenir ainsi de pro- che en proche & un courant électrique suffisamment important pour établir un claquage par rupture des qualités diélectri- ques du milieu, soit en surface des parties isolantes du tube, soit à travers l'espace gazeux du tube lui-même. Dans les cas d'utilisation de la réaction T(d,n)4He déjà citée, -la présence de tritium -émetteur -accroît encore ce type de risque, de même que les différents rayonnements ionisants associés à la réaction nucléaire (X,M,N,n) ou & ses conséquences (rayonne- ments induits par activation neutronique du tube luirmème ou de son environnement). Dans les tubes à vide tels que par exemple les tu- bes à rayons X, on améliore notablement la tenue au claquage en surface des isolants d'une part en augmentant les distances interélectrodes et en scindant le tube en deux parties consti- tuant respectivement l'anode et la cathode de manière à rédui- re le potentiel de moitié dans chaque partie du tube et d'au- tre part en donnant aux parties isolantes une inclinaison adaptée par rapport à la direction du champ électrique (voir par exemple l'article intitulé 'Metal/ceramic X-ray tubes for non-destructive testing' par W. Harth et al. paru dans Philips Technical Review, vol.41, 1983/1984, N 1, pages 24-29). Dans le cas des tubes neutroniques, il s'agit de tubes à gaz dont le contenu est à des basses pressions de sor- te que le produit Pxd de la pression par la distance interé- lectrodes se situe sur la partie gauche de la courbe de Paschen. Dans ce cas, il peut se produire des phénomènes de décharge particulière du type à avalanche Townsend, pouvant être évités par une réduction de la distance interélectrodes, ce moyen étant limité, à contrario, par le seuil d'apparition d'une forte émission froide d'origine électronique selon la loi de Fowler-Nordheim (F-N). Les valeurs de la densité de courant d'émission froide calculées par la formule de Fowler-Nordheim font appa- raitre selon les états de surface des électrodes, un fort coefficient d'amplification de cette densité de courant pour une différence de potentiel donnée. Il en résulte qu'une fai- ble variation de tension peut produire sur le courant une for- te croissance ou une forte décroissance selon le sens de cette variation. Qualitativement, on observe une telle forte sensi- bilité du couran.t à la tension pour tous les phénomènes para- sites amenant à l'existence d'un courant entre les électrodes. Ainsi, au delà d'un certain seuil de tension, il devient difficile d'éviter l'amorçage dans le gaz soit par ef- fet de surface des électrodes soumises à un champ électrique élevé, soit par collision des ions avec les molécules de gaz si l'on accroît la distance d'isolement pour réduire ce même champ électrique. OS Le but de l'invention est de proposer un dispositif de tube neutronique alimenté sous des tensions beaucoup plus élevées que 200 kV et permettant, à fiabilité maintenue satis- faisante, l'augmentation de la durée de vie précédemment évo- quée. Le dispositif de l'invention est remarquable en ce que ledit tube neutronique comporte une première partie et une seconde partie séparées par l'interfédiaire d'une électrode d'accélération formant écran entre lesdites parties, ladite première partie contenant la source d'ions portée à un poten- tiel positif de valeur réglable et ladite seconde partie con- tenant la cible portée à un potentiel négatif de valeur égale- ment réglable par rapport à la valeur zéro du potentiel de la- dite électrode d'accélération mise à la masse par l'enveloppe externe du tube dont elle est solidaire. Ainsi pour un même niveau d'émission neutronique, l'intensité du faisceau d'ions se trouve réduite par la possi- bilité de doubler la différence de potentiel entre source et cible sans augmenter les risques d'amorçage dans le mélange deutérium-tritium par collision des ions avec les molécules de gaz, car la séparation matérielle dudit tube neutronique en deux parties par l'intermédiaire dudit écran conserve inchan- gées les distances de parcours des ions dans chacune desdites parties. Il est remarquable que cette disposition permet une réduction importante de la valeur critique du produit Pad le long des lignes de champ électrique joignant les électrodes. Lors du processus de formation des courants d'émis- sion froide dans le tube neutronique, ladite enveloppe externe et ladite source d'ions constituent respectivement la cathode ét l'anode de ladite première partie du tube d'une part, ladi- te cible et ladite enveloppe externe constituent respective- ment la cathode et l'anode de ladite seconde partie du tube d'autre part. Lesdits courants d'émission froide ainsi déve- loppés dans chacune desdites parties du tube par effet de sur- face des électrodes en regard sont affectés d'un facteur de réduction élevé pouvant atteindre 106 selon la nature et l'état de surface desdites électrodes, du fait que la diffé- rence de potentiel requise pour l'accélération du faisceau d'ions se trouve répartie par moitiés entre lesdites première et seconde parties du tube. Cette répartition de la différence de potentiel globale du tube peut être dissymétrique entre les deux parties du tube -soit du fait des potentiels appliqués, soit du fait des distances géométriques séparant les électrodes- ce qui donne la possibilité intéressante de faire varier les espaces d'accélération entre l'électrode séparatrice et la source d'ions d'une part et entre cette même électrode et la cible d'autre part, de manière à mieux contrôler la focalisation du faisceau ionique en vue d'améliorer la durée de vie du tube. La description suivante en regard des dessins anne- xés, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera. bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. - Les figures 1 et 2 représentent respectivement en coupe longitudinale, une première et une seconde variante de tubes neutroniques selon l'art antérieur. Les figures 3 et 4 montrent respectivement la même coupe longitudinale d'une première et d'une seconde variante de tubes neutroniques selon l'invention. Dans la première variante de modèle connu représen- tée sur la figure 1, une enveloppe 1 contient un mélange ga- zeux de deutérium et de tritium en provenance d'un réservoir 2. Ce mélange est ionisé dans la source d'ions 3 portée au po- tentiel masse. Un faisceau ionique 4 en est extrait par l'électrode d'accélération 5 solidaire de la cible 6 et portée au potentiel négatif de très haute tension (-THT). La partie de paroi 7 en regard de l'espace d'accé- lération est obligatoirement en un matériau isolant. Le trajet des pulvérisations métalliques issues de la source d'ions dé- limite la zone 8 de cette partie de paroi exposée à la métal- lisation, ce qui constitue l'inconvénient majeur de cette pre- mière variante. Dans la seconde variante de modèle connu représen- tée sur la figure 2, la source d'ions 9 est portée à un poten- tiel de très haute tension positif +THT par l'intermédiaire du câble 10 dont l'extrémité est entourée par les manchons iso- lants 11 et 12 entre lesquels est ménagé un espace destiné à permettre la circulation d'un fluide isolant de refroidisse- ment. L'électrode d'accélération 13 refroidie en 14 par un circuit liguide est portée au potentiel de la masse ce qui permet de la rendre solidaire de la paroi métallique 15. Cette disposition qui évite la pulvérisation métallique sur les par- ties isolantes du tube constitue l'art antérieur le plus pro- che. Le mélange gazeux de deutérium et de tritium est fourni par l'intermédiaire d'un régulateur de pression 16. La pression gazeuse est contrôlée à l'aide d'un manomètre d'ioni- sation 17. La source d'ions 9 de type Penning dans l'exemple décrit (mais qui pourrait être de type différent sans nuire à l'invention) comporte une anode 18 à laquelle est appliqué le potentiel +THT, deux cathodes 19 et 20 portées à un même po- tentiel négatif de l'ordre de 5 kV par rapport à l'anode 18 et un aimant permanent 21 créant un champ magnétique axial et dont le circuit magnétique est fermé par la douille ferroma- gnétique 22 qui enveloppe la source d'ions 9. Le faisceau d'ions 23 extraits de la source d'ions passe par l'électrode suppresseuse'24 et frappe la cible 25 refroidie en 26 par une circulation d'un liquide. Un généra- teur de neutrons du même genre est décrit plus en détail dans le brevet français No 2 438 153. Des phénomènes de claquages peuvent se produire dans l'enceinte d'un tube à gaz sous l'effet de la haute ten- sion appliquée entre les électrodes et dont le processus d'initiation dans le cas du tube neutronique de la figure 2 est le suivant. L'enveloppe de la source d'ions 9 constituée par le circuit magnétique 22 est à un potentiel positif élevé par rapport à celui de l'enveloppe 15 du tube porté au poten- tiel zéro de la masse. L'enveloppe 22 de la source d'ions va donc jouer le rôle d'une anode et l'enveloppe 15 du tube neu- tronique va jouer le rôle d'une cathode au niveau de laquelle se développe un champ électrique macroscopique. Les microaspé- rites présentées à la surface de cette cathode sont capables selon leur géométrie d'amplifier microscopiquement la valeur de ce champ; il y a alors possibilité d'émission froide d'électrons. Ce courant électronique provoque en outre une io- nisation des molécules du gaz contenu dans le tube. Il en ré- sulte un effet d'avalanche qui risque d'aboutir à un court- circuit accidentel, c'est-à-dire à un claquage entre électro- des. La formule simplifiée de Fowler-Nordheim permet d'apprécier la densité du courant d'émission froide. Cette formule est la suivante (dans le vide, donc sans tenir compte de l'éventuelle amplification due à la présence du gaz): J = 1,54 * 10-6 À 104,52//W À E- exp(- 6,53 À 107 W"-) W E avec E = oE0 E = champ électrique microscopique en V/cm Eú0 = champ électrique macroscopique en V/cm = facteur d'amplification dépendant de la géométrie des microaspérités. W = énergie nécessaire en eV à un électron pour s'échap- per de la surface du solide (Travail de sortie). Cet- te quantité dépend principalement de la nature du ma- tériau constituart l'électrode ou des impuretés de surface. J = densité de courant d'émission froide en A/cm2. Le facteur d'amplification 9 peut être estimé à partir de courbes selon la forme de l'extrémité des microaspé- 8. rites (sphérique, ellipsoidale) et leur hauteur h au-dessus de la surface de l'électrode. p, 102 pour un rapport h/r = 102, r étant le rayon d'une microaspérité dont l'extrémité est de forme sphérique. La densité de courant d'émission froide J est don- née en fonction du champ microscopique E pour différentes va- leurs du travail de sortie W variant de 1,6 à 5 eV. Pour des électrodes portant en surface des impure- tés de métaux alcalins, le travail de sortie vaut 2,5 eV. Le champ électrique macroscopique est de l'ordre de 2105 V/cm dans les tubes neutroniques usuels. Si l'on admet un facteur d'amplification de 102 causé par l'existence de microaspérités on trouve une densité de courant d'émission froide de l'ordre de 4 103pA/pm2. Pour un champ électrique macroscopique de - 105V/cm c'est-à-dire réduit de moitié, la densité de courant d'émission froide devient environ 3.10'3pA/pm2 c'est-à-dire qu'elle est réduite dans un rapport voisin de 106. 'Cette ré- duction considérable élimine pratiquement les risques. de cla- quage d'origine F-N entre électrodes et assure ainsi une bonne fiabilité du tube. On sait par ailleurs que l'amélioration de la durée de vie d'un tube neutronique par réduction de l'intensité du faisceau ionique nécessite l'augmentation de la différence de potentiel appliqué entre source et cible, ce qui augmente beaucoup les risques de claquages au-delà d'une THT voisine de kV. Si l'on accroit les distances d'isolement pour réduire le champ électrique il va en résulter une plus grande probabi- lité d'amorçage dans le gaz par collision des ions avec les molécules dudit gaz.. Le dispositif de l'invention assure le meilleur compromis possible entre durée de vie et fiabilité.d'un tube neutronique en permettant d'augmenter la tension d'accéléra- tion du faisceau d'ions tout en maintenant à des valeurs ac- ceptables les valeurs de champ électrique entre les électrodes du tube. La figure 3 montre le schéma d'une première varian- te de ce dispositif qui se présente comme deux parties sembla- bles à la partie du tube de la figure 2 comprise entre l'élec- trode accélératrice 13 et le câble d'alimentation en THT 10. L'une de ces parties contient toujours la source d'ions 18, 19, 20, 21 à l'intérieur de l'enveloppe 15 tandis que l'autre partie contient l'électrode suppresseuse 27 et la cible 28 à l'intérieur de l'enveloppe 15'. Ces deux parties sont accolées par leur face présentant l'électrode d'accélération 13 qui leur est commune et donc disposées symétriquement par rapport au plan médian de cette électrode. Sur cette figure les éléments de la première partie du tube identiques à ceux de la figure 2 sont indiqués par les mêmes chiffres de référence. Les éléments de la deuxième par- tie du tube présentant un caractère de symétrie vis à vis de ceux de ladite première partie sont indiqués par le même chif- fre de référence affecté du signe ': ainsi 10 et 10' pour le câble,... 22 et 22' pour la douille ferromagnétique. Dans cette version, le régulateur de pression 16 et le manomètre d'ionisation 17 sont reportés à l'extrémité de cette deuxième partie du tube comportant la cible. La disposition de la figure 2 permet l'alimentation du tube au moyen d'une seule polarité positive soit + V. La disposition de la figure 3 permet l'utilisation d'un générateur à deux polarités + V transmise à la source d'ions par le câble 10 et - V transmise à la cible par le câ- ble 10'. Ces deux polarités sont référencées par rapport à la masse à laquelle est portée l'électrode accélératrice 13 soli- daire des enveloppes externes 15 et 15'. Ainsi les champs électriques au niveau de la cathode 15 de la première partie du tube d'une part et au ni- veau de la cathode 22' de la deuxième partie du tube d'autre part sont maintenus à des valeurs compatibles avec une fiabi- lité acceptable, alors que la différence de potentiel réglant l'accélération est égale à 2V afin d'augmenter la durée de vie du tube par réduction du courant cible, comme cela a déjà été mentionné précédemment. Un tel mode d'alimentation du tube neutronique per- mettant de doubler la différence de potentiel d'accélération du faisceau d'ions offre ainsi la possibilité de compenser la réduction de l'émission neutronique qu'aurait entraîné la seu- le réduction du courant cible. Le dispositif de l'invention présente un avantage supplémentaire du point de vue de la fiabilité par le fait que la diminution du courant cible est obtenue par une diminution corrélative du courant de la source d'ions par l'intermédiaire d'une diminution de la pression de fonctionnement. Ce même dispositif permet en outre de réduire les pulvérisations ayant pour origine la source d'ions, ainsi que celles résultant des ionisations parasites sur le parcours du faisceau. Par ailleurs l'électrode accélératrice 13 joue de plus le rôle d'un 'écran' entre la source d'ions et la cible, ce qui réduit sensiblement les parcours possibles des ions dans le gaz et limite donc encore davantage les risques de claquage dans la perspective d'une fiabilité encore accrue. Le mode d'alimentation symétrique du tube neutroni- que offre une autre possibilité intéressante qui est de pou- voir faire varier les espaces d'accélération entre les deux parties du tube et donc de réaliser ainsi une optique ionique permettant d'améliorer le réglage de la focalisation du fais- ceau. Cela revient à réagir sur les valeurs de champ électri- que dans chaque partie du tube. Ainsi dans la première partie du tube, c'est l'en- veloppe 1 qui est cathode. Cette enveloppe constituant la pa- roi externe du tube présente un rayon de courbure élevé et un champ électrique El est développé entre cette enveloppe et l'enveloppe 11 de la source d'ions jouant le rôle d'anode. Dans la deuxième partie du tube, c'est l'enveloppe 11' de la cible qui est cathode. Cette enveloppe présente un rayon de courbure plus faible que celui de la paroi du fait qu'elle se trouve à l'intérieur du tube et un champ électrique E2 est développé entre cette enveloppe et l'enveloppe externe 1' du tube jouant le rôle d'anode. Si l'alimentation en tension de la source d'ions et de la cible est symétrique, on a l'inégalité E2>El du fait de la différence des rayons de courbure au niveau des deux élec- trodes jouant le rôle de cathode dans chaque partie du tube neutronique. Pour obtenir un fonctionnement équivalent de chacu- ne des parties du tube, il faut rééquilibrer les champs élec- triques (E2= Et) en réajustant la valeur de la THT appliquée du côté de la cible. Une deuxième variante du dispositif de l'invention représentée schématiquement sur la figure 4 définit la géomé- trie des parois isolantes du tube neutronique de façon à ré- duire au maximum l'effet de 'flash-over" le long desdites pa- rois. Cet effet se manifeste par des émissions secondaires successives qui se développent à la surface de l'isolant à partir de l'impact d'une particule venant frapper cette surfa- ce. Il en résulte pour l'isolant un effet de surface dommagea- ble qui peut être contrecarré en inclinant les surfaces iso- * lantes d'un certain angle par rapport au champ électrique, afin que le rebondissement ne se produise plus. La géométrie des isolants peut être différente selon la polarité. Sur la figure 4, la seconde partie du tube neutro- nique contenant la cible est identique à celle de la figure 3. Dans la première partie du tube contenant la source, le contenu de la douille ferromagnétique 11 est également identi- que à celui de la figure 3. Par contre les manchons isolants 12' et 12m qui se correspondent dans les zones actives du tube ont leurs surfa- ces inclinées d'un certain angle par rapport à la direction du flux ionique indiqué par la flèche 29. Le manchon 11= du câble 10" alimentant l'anode en THT a été conçu pour s'adapter à cette disposition. REVENDICATIONS: 1.. Dispositif d'amélioration de la durée de vie et de la fiabilité d'un tube neutronique scellé à haut flux conte- nant un mélange gazeux deutérium-tritium et dans lequel la source d'ions fournit un faisceau de grande énergie projeté sur une cible pour y produire une réaction de fusion.entrai- nant une émission de neutrons, caractérisé en ce que ledit tu- be neutronique comporte une première partie et une seconde partie séparées par l'intermédiaire d'une électrode d'accélé- ration formant écran entre lesdites parties, ladite première partie contenant la source d'ions portée à un potentiel posi- tif de valeur réglable et ladite seconde partie contenant la cible portée à un potentiel négatif de valeur également régla- ble par rapport à la valer zéro du potentiel de ladite élec- trode d'accélération mise à la masse par l'enveloppe externe du tube dont elle est solidaire. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la possibilité de doubler la différence de potentiel entre source et cible entraîne, tout en maintenant constant le niveau d'émission neutronique, la réduction de l'intensité du faisceau d'ions et par conséquent l'accroissement de la durée de vie du tube sans augmenter les risques d'amorçage dans le mélange deutérium-tritium par collision des ions avec les mo- lécules de gaz, du fait que la séparation dudit tube neutroni- que en deux parties par l'intermédiaire dudit écran diminue les distances de parcours des ions dans chacune desdites par- ties. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite enveloppe.externe et ladite source d'ions cons- tituant respectivement la cathode et l'anode de ladite premiè- re partie du tube, ladite cible et ladite enveloppe externe constituant respectivement la cathode et l'anode de ladite se- conde partie du tube, les courants d'émission froide dévelop- pés par effet de surface des électrodes en regard dans chacune desditès parties du tube, sont affectées d'un facteur de ré- duction élevé favorable à la fiabilité, du fait que la diffé- rence de potentiel requise pour l'accélération du faisceau d'ions se trouve répartie par moitiés entre lesdites première et seconde parties du tube. 4. Dispositif selon l'une des revendications I à 3, caractérisé en ce que les champs électriques dans lesdites première et seconde parties du tube neutronique se trouvent répartis de façon dissymétrique soit du fait des potentiels appliqués, soit du fait des distances géométriques séparant les électrodes, lorsqu'on effectue le réglage des espaces d'accélération de manière à mieux contrôler la focalisation du faisceau d'ions et/ou les courants d'émission froide dans cha- cune desdites parties. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdites première et seconde parties du tube neutronique sont disposées symétriquement par rapport au plan médian passant par ladite électrode d'accélération for- mant écran. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les surfaces des parois isolantes qui se correspondent dans chacune desdites première et seconde par- ties du tube neutronique ont une inclinaison de même sens par rapport à la direction du faisceau d'ions.