Brevet FR2636774A1 — publié le 19900323

DESCRIPTION "Dispositif de protection des tubes neutroniques". L'invention concerne un dispositif de protection d'un tube neutronique comportant une source d'ions dont l'ano- de est portée à un potentiel positif par rapport à la cathode au moyen d'une alimentation source et dont le faisceau ionique accéléré vient frapper une cible disposée sur un support iso- lant et portée à un potentiel négatif fourni par une alimenta- tion HT, ledit dispositif de protection étant constitué par des éléments de limitations électriques du courant tube et/ou de la tension cible. Dans leur application courante, les tubes neutroni- ques fonctionnent dans des conditions compatibles avec les possibilités de dissipation thermique, en particulier de la cible et de son support. Leurs définitions sont par ailleurs prévues pour des modes de fonctionnement à large dynamique: - le fonctionnement en mode continu nécessite un dimensionne- ment en conséquence des isolements, - le fonctionnement en mode pulsé et à récurrence rapide con- duit à des structures d'extraction permettant des courants d'ions relativement élevés. Les sources d'ions elles-mêmes, souvent de type Penning, sont munies d'orifices d'extraction d'assez grandes dimensions afin de permettre l'obtention d'un rendement d'ex- traction élevé à une pression de fonctionnement faible. Par ailleurs, elles peuvent travailler en régime de décharge de type arc pour des valeurs de pression encore compatibles avec un fonctionnement du tube et les très hautes tensions applica- bles sur ces tubes peuvent permettre d'extraire des courants d'ions importants pendant des temps courts. L'ensemble de ces considérations montre, qu'en par- ticulier pour des tubes de faibles dimensions, il est possible d'utiliser un tube neutronique largement au-delà de son usage nominal pour, par exemple, une utilisation à flux neutronique pulsé intense. Ceci peut être obtenu par: - augmentation du courant tube au moyen d'un accroissement du courant de décharge de la source d'ions en régime d'arc avec une tension anode plus élevée, - augmentation possible de la tension cible d'un facteur voi- sin de 1,5. Les limitations électriques habituellement montées sur les circuits d'alimentation de l'anode de la source d'ions et de la cible à des fins de protection de l'alimentation et du tube peuvent être éliminées et remplacées par de nouveaux éléments adaptés à une nouvelle utilisation. Le but de l'invention est de fournir au construc- teur du tube, un moyen de prévention contre de tels change- ments. A cet effet, l'invention est remarquable en ce que lesdites limitations sont rendues inaltérables en incluant lesdits éléments à l'intérieur du tube neutronique de telle sorte que toute tentative de modification des paramètres élec- triques fixant les conditions nominales de fonctionnement du tube nécessite l'ouverture dudit tube. Lesdits éléments de limitation du courant tube com- portent une résistance connectée entre la borne positive de l'alimentation source et l'anode de la source d'ions, ainsi qu'un limiteur de tension à une valeur légèrement supérieure à la valeur spécifiée, connecté entre ladite borne positive et la borne négative de l'alimentation source reliée à la masse. La résistance et le limiteur de tension peuvent être placés à l'intérieur d'un bottier étanche alimenté par des passages étanches ou dans une ampoule de verre scellée. Ils peuvent être réalisés en technologie sérigraphiée ou cons- titués par des montages mixtes d'éléments sérigraphies et de composants discrets compatibles avec la qualité de vide néces- saire au tube neutronique. La tension cible est limitée par une résistance connectée entre la borne négative de l'alimentation HT et la cible et un limiteur de tension connecté entre ladite borne négative et la borne positive de l'alimentation HT reliée à la masse. Ladite résistance peut être réalisée sous l'une des formes suivantes: - résistance sérigraphiée disposée en hélice sur la face ex- terne d'un cylindre isolant servant de support à la cible; - fil résistif isolé (technologie haute température) et bobiné spire à spire ou en galette; - éléments résistifs haute tension en série disposés à l'inté- rieur d'une enveloppe d'alumine (ou tout autre isolant com- patible avec la technologie tube et les contraintes THT) pouvant être soit en communication avec le tube soit sous atmosphère de gaz selon la technologie desdits éléments ré- sistifs (tenue en température, dégazage), le mode de liaison et d'assemblage (champ électrique au niveau des résistances et des fils de raccordement) et le niveau maximum de chute de tension accepté dans la résistance par le constructeur. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la des- cription suivante de quelques modes de réalisation de disposi- tifs donnés à titre d'exemples non limitatifs, ladite descrip- tion étant accompagnée de dessins qui représentent: - figure 1, le schéma de principe des alimentations du tube neutronique munies des éléments de limitation de courant et de tension, - figures 2a, 2b et 2c, quelques modes de réalisation des élé- ments de limitation du courant tube, - figures 3 et 4 respectivement, un premier et un second exem- ple de disposition des éléments de limitation de courant dans le tube neutronique, - figure 5, un exemple de disposition des éléments de limita- tion de la tension cible autour du support cible, - figure 6, un autre exemple de disposition des éléments de limitation de la tension cible à l'intérieur d'une enveloppe isolante. Les éléments qui se correspondent sur ces figures sont indiqués par les mêmes chiffres de référence. Le tube neutronique représenté sur la figure 1 comporte une source d'ions obtenus à partir d'un mélange deu- térium-tritium contenu dans le réservoir 1 et dans laquelle on retrouve une anode 2, une cathode 3 et un aimant permanent 4 qui établit un champ magnétique axial. Le faisceau ionique is- su de cette source est accéléré par l'électrode d'accélération et frappe la cible 6. L'enveloppe du tube est constituée d'une partie conductrice 7 mise à la masse et d'une partie isolante 8 entourant le support cible 9 solidaire de l'élec- trode d'accélération. La description ci-dessus porte sur un tube de type Penning, mais elle peut être aisément étendue aux autres types de tubes (confinement électrostatique, "multi-cusp", etc...). L'alimentation de la source d'ions est assurée par le générateur de tension continue 10 de valeur Vaa dont le pôle négatif est relié à la masse du tube et dont le pôle po- sitif est relié à l'anode 2 à travers la résistance 11 de va- leur Ra. Schématiquement, le courant de décharge dans le tu- be neutronique peut être subdivisé en deux régimes: - un régime basse pression pour lequel le courant de décharge Id varie en fonction de la pression PDT à l'intérieur du tube et de la tension anode-cathode Vak suivant la rela- tion: I M py v Id DP T ak avec y et v voisins de 1.Cette relation montre que l'augmen- tation du courant de décharge est obtenue par une augmenta- tion de la pression PDT-avec une limite supérieure corres- pondant au régime d'arc ou par augmentation de la tension anode-cathode Vak; dans ce dernier cas, il est nécessaire d'augmenter le champ magnétique B de façon à garder un rap- port Vak/B constant. - un régime fort courant correspondant au régime d'arc; dans ce cas, le courant de décharge est pratiquement limité par le circuit d'alimentation externe et la tension aux bornes de la structure anode-cathode VakQ est presque constante. On a donc: Vaa = RaId + VakO Le courant Id est alors donné par: Vaa- VakO Id= d Ra Dans les deux régimes, le courant Id est limité par la tension d'alimentation Vaa et par la résistance Ra. Les dispositifs objets de l'invention permettront donc d'agir sur ces deux paramètres et comprendront la résis- tance 11 de valeur Ra compatible avec le flux maximum ins- tantané prévu par le constructeur et un limiteur de tension 12 (éclateur, varistance, diode à gaz,...) d'impédance Za, con- necté aux bornes de l'alimentation 10, limitant la tension de fonctionnement à une valeur légèrement supérieure à la tension d'alimentation voulue par le constructeur et garantissant une bonne fiabilité du tube. Compte tenu de l'évolution rapide de l'émission neutronique en fonction de la tension cible, un système de mné- me principe que celui utilisé sur l'anode est possible; il comporte le générateur de tension continue 13 de valeur Vac dont le pôle positif est mis à la masse et dont le pôle néga- tif est connecté à l'électrode d'accélération à travers la ré- sistance 14 de valeur Rc. Cette limitation du courant cible Ic peut être complétée par une limitation de tension au moyen d'un limiteur 15 (éclateur ou varistance) d'impédance Zc, connecté aux bornes du générateur de courant 13. Les dispositifs de limitation schématisés sur la figure 1 peuvent être utilisés simultanément ou séparément; ils sont de deux types: - limitation du courant tube par limitation du courant de la source d'ions, limitation de la tension cible par limitation de la tension d'alimentation de la cible. Les structures correspondantes sont fonction de la structure du tube et les descriptions données (types de compo- sants, exemples de localisation) ne constituent que des illus- trations non limitatives. Un point commun à l'ensemble des so- lutions retenues est leur compatibilité avec les contraintes en particulier thermiques résultant de la technologie de réa- lisation des tubes. Avant de détailler quelques exemples de dispositifs de limitation des deux types on rappelle que l'émission neu- tronique instantanée Qn est reliée globalement aux paramè- tres électriques courant tube ITU et tension cible Vc par une relation du type Qn k ITU c avec 0,3 pour ITU exprimé en ampères, Vc en kilovolts, Qn en neu- trons/seconde et pour des pressions du mélange de gaz hydrogé- né inférieures ou égales à 10-2 torr. Les éléments de limitation du courant tube peuvent être montés de manière à ne former qu'un seul ensemble limi- teur 16. Les figures 2a, 2b et 2c montrent quelques exemples de montages. Sur la figure 2a, la résistance 11 et le limiteur de tension 12 sont disposés dans un boîtier étanche BO alimen- té par des passages étanches PAS1 et PAS2. Sur la figure 2b la résistance 11 et le limiteur de tension 12 sont placés dans un tube scellé TU. Sur la figure 2c, la résistance 11 et le limiteur de tension par claquage 12 sont réalisés en technologie séri- graphié et doivent être compatibles avec la qualité de vide indispensable au tube neutronique. La résistance 11 est cons- tituée d'une barrette sérigraphiée B entre les plots d'alimen- tation P1 et P2; l'éclateur 12 est constitué par le sillon situé entre le plot P1 et le plot P3 ou entre la barrette B et le plot. L'ensemble est déposé sur la plaquette isolante PL (alumine, verre) et est compatible avec la technologie du tube (haute température et faible taux de dégazage). Les figures 3 et 4 montrent deux exemples de dispo- sition de l'ensemble limiteur du courant d'anode à l'intérieur même du tube neutronique conformément à l'invention. Sur la figure 3, l'anode 2 est maintenue mécanique- ment par la paroi isolante 17 côté source d'ions. Le boîtier étanche 16 contenant-les éléments de limitation 11 et 12 est muni de sorties isolantes 18 et 19 servant respectivement à son alimentation en tension et à son raccordement à l'anode; ce raccordement est protégé par un manchon isolant 20. Sur la figure 4, l'anode est montée directement sur le boîtier étanche 16 par l'intermédiaire du support isolant 21 à travers lequel est effectuée la liaison de la résistance de limitation 11 à l'anode 2; l'éclateur (ou varistance) 12 est relié à l'alimentation en tension à travers le passage isolé 22. Le boitier 16 est raccordé au support du réservoir 23 et à l'armature du tube 7 par une soudure 'trois lè- vres' 24. L'ensemble de limitation 16 peut être réalisé en utilisant différentes natures de composants, par montage di- rect de composants discrets (résistance, éclateur) assemblés en parallèle dans le pied du tube; la technologie de ces com- posarts doit être compatible avec l'ultra-vide. Des montages mixtes d'éléments sérigraphies et de composants discrets peu- vent également être assemblés en fonction de leur compatibili- té à l'ultra-vide. Compte tenu de l'évolution rapide de l'émission neutronique en fonction de la tension cible, un système de même principe que celui utilisé sur l'anode est mis en oeuvre au moyen d'une résistance haute tension pouvant être réalisée sous différentes formes. Sur la figure 5 une résistance 25 est disposée sur l'extérieur du-cylindre isolant 9 servant de support à la ci- ble 6; l'extrémité située à la base du cylindre est connectée au pôle négatif de l'alimentation haute tension et l'extrémité située au sommet du cylindre est connectée à l'électrode d'ac- célération 5. Cette résistance 25 peut être constituée par exem- ple d'éléments sérigraphies déposés sur l'extérieur du cylin- dre 9 sous forme d'hélice ou de fil résistif isolé suivant la technologie haute température et bobiné spire à spire ou en galette. L'électrode d'accélération 5 est maintenue par le support isolant 26. Sur la figure 6, la résistance 25 est formée de ré- sistances en série et déposée à l'intérieur d'une enveloppe d'alumine 27 servant de support à l'électrode d'accélération 5 reliée à l'extrémité supérieure de la résistance, la cible 6 étant supportée par la paroi isolante du tube 8. Cette limitation de courant au moyen de la résis- tance 25 peut être complétée par une limitation de tension au moyen d'un éclateur (ou d'une varistanc ) 28 disposé à l'inté- rieur de l'enveloppe d'alumine et connecté entre la masse et la soudure 'trois lèvres' 29 reliée au pôle négatif de l'ali- mentation HT de cible. L'intérieur de l'enveloppe d'alumine 27 pourra être mise soit en communication avec le tube, soit en atmosphère de gaz selon que l'orifice 30 se trouvera ouvert ou fermé. La so- lution dépendra de la compatibilité des varistances et résis- tances à l'ultra-vide et de la technologie des résistances (tenue en température, dégazage). On pourrait par exemple pla- cer les éléments de limitation de la tension cible sous gaz contrôlé de type hexafluorure de soufre sous la pression de un à quelques bars. REVENDICATIONS 1. Dispositif de protection d'un tube neutronique com- portant une source d'ions dont l'anode est portée à un poten- tiel positif par rapport à la cathode au moyen d'une alimenta- tion source et dont le faisceau ionique accéléré vient frapper une cible disposée sur un support isolant et portée à un po- tentiel négatif fourni par une alimentation HT, ledit disposi- tif de protection étant constitué par des éléments de limita- tions électriques du courant tube et/ou de la tension cible, caractérisé en ce que lesdites limitations sont rendues inal- térables en incluant lesdits éléments à l'intérieur du tube neutronique de telle sorte que toute tentative de modification des paramètres électriques fixant les conditions nominales de fonctionnement du tube nécessite l'ouverture dudit tube. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits éléments de limitation du courant tube compor- tent une résistance connectée entre la borne positive de l'alimentation source et l'anode de la source d'ions, ainsi qu'un limiteur de tension à une valeur légèrement supérieure à la valeur spécifiée, connecté entre ladite borne positive et la borne négative de l'alimentation source reliée à la masse. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits éléments de limitation du courant tube sont placés à l'intérieur d'un bottier étanche alimenté par des passages étanches. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits éléments de limitation du courant tube sont placés dans une ampoule de verre scellée. 5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits éléments de limitation du courant tube sont réalisés en technologie sérigraphiée compatible avec la quali- té de vide nécessaire au tube neutronique, ladite résistance étant constituée d'une barrette sérigraphiée et ledit limiteur étant constitué par un sillon séparant ladite barrette d'un autre élément sérigraphie, l'ensemble étant disposé sur pla- quette isolante (alumine, verre, etc...). 6. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits éléments de limitation du courant tube sont constitués par des montages mixtes d'éléments sérigraphies et de composants discrets en fonction de leur compatibilité à l'ultra-vide. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite tension cible est limitée par une résistance connectée entre la borne négative de l'alimentation HT et la cible et un limiteur de tension connecté entre ladite borne négative et la borne positive de l'alimentation HT reliée à la masse. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite résistance est une résistance sérigraphiée dis- posée en hélice sur la face externe d'un cylindre isolant ser- vant de support à la cible. 9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite résistance est constituée de fil résistif isolé (technologie haute température) et bobiné spire à spire ou en galette. 10. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite résistance est formée de résistances haute ten- sion en série et disposées à l'intérieur d'une enveloppe d'alumine pouvant être soit en communication avec le tube soit sous atmosphère de gaz selon la technologie desdites résistan- ces (tenue en température, dégazage), le mode de liaison et d'assemblage (champ électrique au niveau des résistances et des fils de raccordement) et le niveau maximum de chute de tension accepté dans la résistance par le constructeur.