Brevet FR2671908A1 — publié le 19920724

DESCRIPTION TECHNIQUE La présente invention concerne les tubes accélérateurs tels qu'ils sont utilisés dans les accélérateurs électrostatiques ou dans certains tubes électroniques de puissance. Dans les réalisations connues de ce genre on évite le claquage par rampage ou "flash-over" le long des parois isolantes du tube au moyen d'une série d'électrodes métalliques fractionnant celui-ci dans le sens de sa longueur. Ceci permet d'obtenir les résultats suivants - Les électrodes, dont l'axe de symétrie coïncide avec celui du tube, matérialisent des équipotentielles dans des plans perpendiculaires à l'axe, ce qui permet finalement d'obtenir un champ électrique ayant la configuration recherchée, c'est-à-dire sensiblement parallèle à l'axe du tube. - Le fractionnement permet de limiter le potentiel appliqué à un tronçon d'isolant, ce qui permet, comme l'expérience le montre, de limiter le risque de claquage par rampage souvent désigné par le terme anglo-saxon : "flashover". - En donnant aux électrodes une forme convenable, permettant de réaliser une sorte de chicane, comme par exemple la structure en volet donnée en figure 1, on rend le système optiquement opaque. Ceci signifie que le faisceau F passant sur l'axe "ne peut plus voir l'isolant". Or, l'expérience a montré qu'il était impératif de respecter cette règle empirique. Celle-ci peut s'expliquer de la façon suivante : lorsque les particules constituant le faisceau en cours d'accélération (ce peut être des ions ou des électrons) subissent des collisions avec les molécules de gaz résiduel (dont la densité reste très élevée, même pour un bon vide) il se produit un phénomène de diffusion appelé "diffusion Rutherford".Le volume F occupé par le faisceau se comporte alors comme une source de particules chargées comprenant les particules primaires (celles du faisceau) et des particules secondaires, qui émet dans toutes les directions. Si rien ne les arrêtent, ces particules déposent leurs charges sur les parois isolantes du tube, ce qui provoque localement une intensification du champ électrique, d'où claquage par rampage. Malgré tous les progrès qui ont pu etre réalisés sur les tubes accélérateurs pendant plus de trente ans, ceux-ci présentent encore des inconvénients qui peuvent se résumer aux deux points suivants - coût de construction élevé en raison du grand nombre d'électrodes requis, - gradient limité en raison, notamment, des perturbations apportées au champ électrique par la forme tourmentée des électrodes. L'invention permet d'éviter ces inconvénients car elle simplifie considérablement la fabrication des tubes accélérateurs, ce qui en diminue le coût, et elle permet en outre d'augmenter le gradient accélérateur, ce qui peut être très avantageux dans le cas où on accélère des courants très intenses, comme c'est le cas pour les lasers à électrons libres. L'invention concerne un tube accélérateur comportant à l'intérieur du tube isolant (1) une couche (4) légèrement conductrice de l'électricité. Suivant une autre caractéristique, le tube accélérateur comporte périodiquement des électrodes (2) formant une cavité dans laquelle le champ électrique se trouve considérablement diminué. Suivant une autre caractéristique, les électrodes (2) sont réalisées en titane. Suivant une autre caractéristique, la couche conductrice est réalisée d'un mélange en proportions convenables de poudre de chrome et de poudre d'oxyde de chrome. Suivant une autre caractéristique, la couche conductrice est réalisée en déposant du carbone diamant sur la paroi interne du tube isolant (1). Suivant une autre caractéristique, la couche conductrice est faite de grains métalliques noyés dans une matrice isolante. Suivant une autre caractéristique, la couche conductrice est déposée au chalumeau à plasma suivant la technique dite de shoopage. Suivant une autre caractéristique, le tube isolant est constitué par du verre, de I'alumine ou toute céramique étanche au vide. Suivant une autre caractéristique, le tube isolant est utilisé sur les accélérateurs d'électrons destinés à l'irradiation de diverses substances ou à la construction de lasers à électrons libres. Suivant une autre caractéristique, la paroi interne du tube isolant (1) est ondulée. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit, donnée à titre indicatif et bien entendu nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés dans lesquels La figure 1 représente un tube suivant l'état de l'art. La figure 2 représente l'émission de particules secondaires, ou diffusées, par tout le volume du faisceau. La figure 3 représente le mécanisme de diffusion Rutherford. La figure 4 représente un tronçon de tube accélérateur suivant l'invention. La figure 5 représente un détail de la paroi du tube accélérateur dans le cas où on lui donne une forme ondulée. L'état de l'art est représenté sur la figure 1 qui reproduit schématiquement un tube de 350 kV commercialisé par la société américaine NEC. Pour obtenir des tensions plus élevées, il suffit d'assembler autant de tronçons en série que nécessaire. Par exemple, pour un accélérateur de 3,5 MV on mettra 10 tubes élémentaires en série. Ceci pose un problème, car certaines particules secondaires peuvent être accélérées sur plusieurs sections et ainsi accumuler une énergie considérable et en tous cas suffisante pour provoquer lors de l'impact sur une électrode un dégazage local qui est de nature à provoquer un claquage. On évite cet effet dit "d'énergie totale" en disposant entre chaque section de tube un espace sans champ, ce qui confère au champ électrique une forte composante radiale au droit des brides de raccordement qui projette les particules secondaires sur les parois de celles-ci.On évite ainsi aux particules secondaires de pénétrer dans la section accélératrice suivante. La société américaine HVEC a adopté une stratégie différente consistant à réaliser des sections à champ incliné alternativement dans un sens et dans l'autre. On obtient ainsi le même résultat que dans le tube NEC ; les particules secondaires sont projetées sur les parois avant d'avoir acquis une énergie trop élevée. La diffusion des particules par les atomes nécessairement présents malgré la qualité du vide régnant dans le tube accélérateur (typiquement 10-5 à 10- 7 torr) est illustrée sur les figures 2 et 3. Sur la figure 3 on reconnaît le mécanisme de diffusion Rutherford : la particule F du faisceau primaire -un électron par exemple- heurte un atome A, ce qui donne lieu à au moins trois particules secondaires - un électron d'ionisation es 1 qui est accéléré dans le champ électrique, - l'électron e52 qui est l'électron incident mais qui a été dévié, - un ion I ayant pour origine le recul de l'atome A. Toutes ces particules peuvent venir charger les parois I du tube accélérateur. Leur accumulation provoque un champ parasite de très grande intensité qui entraîne un flash-over. Comme il a déjà été dit, les électrodes (6), généralement en forme de volet étanche optiquement comme schématisé sur la figure 2, permettent d'arrêter ces particules. Malheureusement le champ électrique entre les électrodes (6) se trouve intensifié par rapport au champ moyen dans le tube, en raison des courbures imposées auxdites électrodes, d'où un risque de claquage direct qui amène à limiter la tension appliquée au tronçon de tube. On arrive ainsi à supporter 350 kV sur une section de 23 cm de longueur. La figure 4 représente, suivant l'invention, une situation radicalement différente. Ici, on laisse les parois isolantes (1) en regard direct du faisceau. I1 y a alors bombardement intense de la paroi isolante par les particules secondaires mais on évite leur accumulation en les drainant au moyen d'une couche mince, très légèrement conductrice (4). Cette couche (4) peut, par exemple, être constituée par un mélange de chrome et d'oxyde de chrome déposé au chalumeau à plasma selon le procédé appelé couramment "shoopage". Ainsi, avec un mélange à 19 % de chrome, on obtient une résistivité de p = 1,75/105 Q.m. Dans le cas de la figure 2, on a représenté à l'échelle environ 0,8 un tube élémentaire capable de supporter 400 kV. Le diamètre intérieur du tube isolant (1) réalisé en alumine étanche au vide est de 120 mm pour une hauteur de 115 mm. Si l'épaisseur de la couche est de 50 clam, on peut calculer que la résistance est de l'ordre de 109Q. Elle dissipe une puissance de 160 W, ce qui nécessite un refroidissement par convexion forçée de SF6, mais on peut très facilement diminuer cette puissance en augmentant la valeur de la résistance, soit en diminuant l'épaisseur de la couche, soit, mieux, en augmentant la résistivité de la couche par diminution de la concentration en chrome. Des brides (3) sont brasées aux extrémités du tube quand celui-ci est réalisé en alumine (scellement céramique-métal) mais on peut aussi les coller et utiliser un tube isolant en verre ou en céramique quelconque. Dans certains cas, il peut être avantageux de donner à la surface du tube isolant (1) une forme ondulée comme schématisé sur la figure 5. Dans ce cas, la couche (4) suit l'ondulation de (1). Les électrodes accélératrices (2), qui peuvent être avantageusement réalisées en un alliage de titane, ont une forme convenable pour ménager un espace sans champ entre chaque tube accélérateur. Suivant le nombre de tubes mis en série, et par conséquent la tension totale appliquée, on réalisera des cavités sans champ (ou à champ réduit) de plus ou moins grande longueur dans le sens axial. Cette dimension dépend également de l'ouverture 4 > ménagée pour le passage du faisceau. Dans le cas du dessin de la figure 4, le diamètre d'ouverture 9 vaut 80 mm. L'invention peut être utilisée sur les accélérateurs électrostatiques dans toutes leurs applications - irradiation industrielle par faisceaux d'électrons, - expériences ou machines destinées à la physique, - laser à électrons libres. Elle s'applique également aux canons à électrons pour la soudure ou à ceux utilisés dans les tubes de puissance. D'une façon générale, elle est applicable à toutes les surfaces isolantes sous vide soumises à des champs électriques de grande intensité. REVENDICATIONS 1. Tube accélérateur pour machine électrostatique, caractérisé en ce qu'il comporte à l'intérieur du tube isolant (1) assurant l'étanchéité au vide une couche mince (4) légèrement conductrice de l'électricité. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu il comporte périodiquement des électrodes (2) formant une cavité dans laquelle le champ électrique se trouve considérablement diminué. 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les électrodes (2) sont réalisées en titane. 4. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche conductrice est réalisée d'un mélange en proportions convenables de poudre de chrome et de poudre d'oxyde de chrome. 5. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche conductrice est réalisée en déposant du carbone diamant sur la paroi interne du tube isolant (1). 6. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche conductrice est faite de grains métalliques noyés dans une matrice isolante. 7. Dispositif suivant les revendications 4 ou 6, caractérisé en ce que la couche conductrice est déposée au chalumeau à plasma suivant la technique dite de shoopage. 8. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le tube isolant est constitué par du verre, de l'alumine ou toute céramique étanche au vide. 9. Dispositif suivant l'une des revendications de 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est utilisé sur les accélérateurs d'électrons destinés à l'irradiation de diverses substances ou à la construction de lasers à électrons libres. 10. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi interne du tube isolant (1) est ondulée.