Brevet FR2710487A1 — publié le 19950331

"Accélérateur électrostatique de particules dans un système sous vide" La présente invention concerne un accélérateur électrostatique pour tirer une cible avec des faisceaux de particules chargées électriquement dans un domaine d'énergie de 200 keV dans un système sous vide, fermé, comprenant une source pour l'émission de particules chargées ; un chemin d'accélération étagé adjacent à la source avec des tubes à transit placés les uns derrière les autres, à distance, ces tubes laissant passer le faisceau ; un multiplicateur de haute tension pour les tubes à transit, auquel est appliquée la tension d'accélération ; une cible montée sur un support refroidi à l'extrémité du chemin d'accélération. De tels accélérateurs permettent de générer par exemple des rayons de particules d'ions H+ ou D+ avec des énergies allant jusqu'à 200 keV et des intensités de quelques mA. Un tel rayon de particules arrive à l'extrémité du tube d'accélérateur sur une cible prédéterminée pour entrer en réaction avec les noyaux des atomes de la cible, et cela suivant la matière constituant la cible, un rayonnement gamma, dur, en cascade, à coïncidence ou encore des neutrons d'énergie à haute définition. Un tel rayonnement secondaire convient pour les tarages ou les essais de matériaux. Selon le document EP 0471 601 A2 on connaît un accélérateur du type défini ci-dessus, dans lequel le multiplicateur de tension CW (multiplicateur de tension Cockroft/Walton) est situé pratiquement complètement derrière l'accélérateur et même derrière la cible lorsqu'on regarde dans la direction du rayonnement. La tension peut ainsi n'être fournie à l'ensemble accélérateur que de manière axiale avec des liaisons tubulaires. Cela se traduit par un certain inconvénient pour les manipulations dans certaines applications lorsque la place disponible est limitée ou lorsque l'accélérateur n'est pas en poste fixe. La présente invention a pour but de créer un accélérateur électrostatique, facile à manipuler et à transporter, et qui soit aussi compact que possible et d'un service aussi sûr que possible, et qui permette d'effectuer à un endroit ou à un autre, des mesures de tarage sur des détecteurs de rayonnement tout en permettant également d'effectuer des essais déterminés de matériaux et des essais de rayonnement. A cet effet, l'invention concerne un accélérateur correspondant au type défini ci-dessus caractérisé en ce que le chemin d'accélération, formé des différents tubes à transit, est totalement coaxial sur toute sa longueur à l'intérieur du multiplicateur de haute tension qui l'entoure de façon annulaire. Suivant une caractéristique particulièrement avantageuse, les différents tubes à transit sont isolés les uns par rapport aux autres par des segments de tubes en matière céramique, placés les uns à la suite des autres, en étant maintenus à distance et en étant réunis pour former un ensemble fixe, tubulaire ; sur le côté extérieur des différents tubes à transit du chemin d'accélération se trouve chaque fois en contact conducteur, un disque de contact et de centrage, périphérique, radialement en saillie, et contre chacun de ces deux côtés, est fixé un segment de tube en céramique, au niveau de sa surface frontale ; les disques de contact dépassent radialement par leurs diamètres extérieurs des segments de tubes et sont fixés de manière étanche à ceux-ci par leur partie en saillie à l'aide d'un point de liaison. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le point de liaison entre chaque segment de tube et le disque intermédiaire se compose d'un anneau élastique métallique, cintré en forme de U en direction du disque avec des branches de longueurs différentes, la branche longue, extérieure, étant soudée sur le bord extérieur de la partie en saillie du disque et la branche courte étant brasée sur le bord extérieur de la surface frontale du segment de tube respectif ; les branches de longueurs différentes formant une rainure d'écartement entre chaque segment de tube et le disque, cette rainure étant enjambée de manière étanche par l'anneau élastique. Suivant une autre caractéristique de l'invention, les sorties des différents étages du multiplicateur de haute tension sont reliées respectivement par un passage résistant à la haute tension et par une chaîne de résistances entourant les segments de tubes au disque de contact du tube à transit correspondant. Dans cet accélérateur, le montage coaxial du tube de l'accélérateur proprement dit et du multiplicateur de tension servant de générateur de haute tension constitue un moyen décisif pour une construction compacte. Cela est rendu possible du fait que les tubes à transit du chemin d'accélération sont réunis pour former un ensemble solide, et cela d'une manière très particulière avec interposition de segments de tubes céramiques, isolants. Dans cet ensemble compact on peut fournir de l'extérieur, les tensions d'alimentation des différents tubes à transit1 de façon coaxiale et de manière particulièrement avantageuse. Les liaisons internes courtes entre les étages du multiplicateur de haute tension et les différents étages de l'accélérateur évitent les accumulateurs d'énergie électrique, inutiles. La construction avec la cible à l'extrémité du dernier étage d'accélération garantit la sécurité d'isolation de l'installation. Il n'et pas nécessaire de prévoir des moyens de sécurité périphériques extrêmes autour de l'installation lorsque celle-ci fonctionne. En outre, on améliore la compacité et la facilité de manipulation du fait que le multiplicateur de haute tension est construit autour d'un support cylindrique pour le soutenir ; ce support est traversé par les sorties des étages, par des passages très résistants en tension. Avantageusement, on forme ainsi avec le boîtier, la cavité annulaire des multiplicateurs. La sortie radiale des lignes de liaison du multiplicateur de tension par le socle du support permet de brancher directement à cet endroit le transformateur de haute tension. On supprime ainsi le câble de haute tension. L'ensemble du montage devient compact et s'utilise de façon mobile, sans avoir à prendre de mesure de sécurité périphérique. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans lesquels - la figure 1 montre la structure de l'ensemble de l'accélérateur en coupe suivant l'axe de l'accélérateur. - la figure 2 montre l'un des tubes à transit de l'étage moyen de l'accélérateur. - la figure 3 montre la liaison entre la liaison de deux étages d'accélération successifs sur un tube à transit. L'accélérateur électrostatique est représenté schématiquement à la figure 1 ; il sert à tirer sur une cible 12 avec des rayons de particules chargées électriquement dans une plage d'énergie de 200 kev il travaille dans un système sous vide, fermé, logé pratiquement dans le boîtier 13. Les composants principaux de l'accélérateur comprennent une source 18 émettant des particules chargées, un chemin d'accélération, étagé, adjacent à la source 18 avec une succession de tubes à transit E1-E6, placés les uns derrière les autres à une certaine distance ; ces tubes sont traversés par le rayon et leur réunion forme le tube d'accélérateur 1 ; l'accélérateur comprend un multiplicateur de haute tension 2 pour fournir la tension d'accélération aux tubes à transit E1-E6, ainsi que la cible 12 déjà évoquée qui se trouve sur un support 36 refroidi, à l'extrémité du chemin d'accélération. Selon la figure 1, le multiplicateur de haute tension 2 se compose par exemple de six étages S1 S6 en partie identiques. Le nombre des étages n'est pas limité à six. Ce nombre ainsi que le nombre des étages de tension, correspondant, dépend de l'application prévue ; ce nombre peut de ce fait être plus grand ou plus petit que dans l'exemple de la figure 1. Les six étages S1-S6 d'un générateur en forme de multiplicateur de haute tension 2 sont portés par la partie cylindrique du support 3 du multiplicateur 2 ; à travers des passages résistant à la haute tension, le support 3 comporte les sorties des étages S1-S6 et le boîtier 13 enfermant l'ensemble constitue la cavité cylindrique annulaire 14 du multiplicateur 2. Cette cavité 14 est remplie d'huile isolante dans l'exemple de réalisation représenté. Le transformateur de haute tension 17 est fixé au socle 19 du support 3 et il est relié directement au multiplicateur 2 par les lignes d'alimentation internes 4, 5. Le tube d'accélérateur 1 selon la figure 1 se compose également de six étages comme les étages S1-S6 du générateur. Les tubes à transit E1-E6 des étages d'accélération sont alignés suivant l'axe d'accélération 21. Les intervalles entre les différents tubes à transit E1-E6 forment les chemins d'accélération par lesquels la différence de potentiel est appliquée entre deux étages successifs S du multiplicateur. Sur le plan de l'optique des ions, les chemins d'accélération entre les tubes à transit E sont conçus pour que le foyer des rayons de particules se forme sur la cible 12. Chaque tube à transit possède un disque 8 périphérique sur son bord extérieur 29, perpendiculaire à l'axe d'accélération 21 (voir figure 2). Les disques 8 servent de points de contact électriques et ont pour cela un contact par une chaîne de résistances 10 avec la sortie des étages multiplicateurs correspondants Sl-S6 ; les sorties des différents étages S1-S6 du multiplicateur de haute tension 2 sont chaque fois reliées par un passage résistant à la haute tension et par une chaîne de résistances 10 entourant les segments de tubes 6, sont branchées sur le disque de contact 8 du tube à transit E1-E6 respectif. Par ailleurs, les disques forment un dispositif de centrage pour l'alignement des tubes à transit E1-E6 et ils assurent, par l'intermédiaire des cylindres en céramique 6, la liaison mécanique avec les tubes à transit E de l'étage d'accélération voisin ou la bride 7. Pour cela, sur le côté extérieur 29 des différents tubes à transit E1-E6 du chemin d'accélération, on a chaque fois en contact conducteur, le disque de centrage et de contact 8, périphérique, radialement en saillie sur les deux côtés de ce disque de centrage, on a chaque fois fixé le segment de tube en céramique 6 adjacent, au niveau de sa surface frontale 30. Les disques de contact 8 dépassent radialement les segments de tubes 6 par leur diamètre extérieur et sont fixés par leur partie en saillie 31 à l'aide d'un point de liaison qui sera détaillé ultérieurement. Dans l'exemple de réalisation représenté, chaque tube à transit E et son disque de contact et de centrage 8 est en acier inoxydable ou en un autre métal. Selon la figure 1, le chemin d'accélération et ses différents tubes à transit E comme étages est placé coaxialement sur toute la longueur à l'intérieur du multiplicateur de haute tension S1-S6 qui l'entoure de façon annulaire. Les différents tubes à transit E sont isolés les uns par rapport aux autres par les segments de tubes 6, en céramique, placés les uns derrière les autres qui maintiennent les tubes à transit à distance et sont reliés à ces tubes d'une manière précisée ultérieurement pour former un ensemble tubulaire, solide. Les tubes à transit du premier étage d'accélération El possède à son extrémité proche, une électrode de focalisation 22, amovible, alors que le tube à transit du dernier étage E6 se termine par un tube fermé par une plaque 36 servant de plaque de support. La cible 12 est fixée à l'intérieur de cette plaque de support. Les étages d'accélération E1-E6, alignés, forment par leur réunion le tube d'accélérateur 1. La cavité intérieure 15 du boîtier 13 qui contient ce tube d'accélérateur 1 est mise sous vide par le raccord de pompe 16 du boîtier 35 en commun avec la sour ce d'ions 18 fixée à l'accélérateur. La figure 2 montre l'un des tubes à transit E1-E5 des étages intermédiaires et la rondelle de contact et de centrage 8 fixée à ce tube. La bague d'appui 25, des deux côtés du disque, assure le centrage des segments de tubes 6 en céramique, appliqués à gauche et à droite, par rapport à l'axe d'accélération 21 ou aux tubes à transit E. La bague d'appui 25 est munie de perçages 26 parallèles au disque 8 et situés directement à sa surface extérieure. La figure 3 montre des détails du point de jonction entre deux segments de tubes 6 en matière céramique et du disque de contact et de centrage 8, intermédiaire (par exemple la partie droite de la figure 2). Le point de jonction entre deux segments de tubes 6 et le disque intermédiaire 8 se compose d'une bague élastique 28 métallique, recourbée en forme de U, en direction du disque, avec des branches inégales ; la branche la plus longue 32, située à l'extérieur, est soudée sur le bord extérieur 34 de la partie en saillie 31 du disque 8 et sa branche la plus courte 33 est brasée sur le bord extérieur de la surface frontale 30 du segment de tube 6 respectif. Les branches 32, 33, de longueur inégale, forment une rainure d'écartement 27 entre le segment de tube 6 et le disque 8 ; cette rainure enjambée par l'anneau élastique 28 est fermée de manière étanche. Aux extrémités des cylindres en céramique 6, l'anneau élastique 28 en acier inoxydable, en forme de U, à branches irrégulières, est brasé sous vide sur toute la périphérie par sa branche la plus courte, et cela de façon à ne pas couvrir les rainures découpées dans la surface frontale. La branche 32 la plus longue, située à l'extérieur, est soudée sous vide au disque de contact et de centrage 8. Les rainures 27 et les per çages 26 servent à évacuer l'air pour la mise sous vide du volume annulaire. La réunion de l'ensemble du tube, formé des tubes à transit E et des segments de tubes en céramique 6, se fait sur une broche sur laquelle on aligne et soude alternativement les cylindres en céramique 6 et les tubes à transit avec leur disque de contact et de centrage 8. La bride 7, vissée au boîtier 13, maintient le multiplicateur de haute tension 2 et le tube d'accélérateur 1 en position centrée sur les tubes à transit E à l'aide de la pièce isolante 40. La source d'ions 18 est également fixée directement à cette bride 7. La chambre à plasma 11 et le tube d'accélérateur 1 avec la cible 12 sont alignés sur l'axe commun 21. Entre le multiplicateur de haute tension 2 et le tube d'accélérateur 1, se trouve une cavité 15, délimitée à l'extrémité de faible énergie par la bride de support 7, alors que l'extrémité de forte énergie est fermée par le boîtier. Le tube à transit E6 s'appuie au niveau du dernier étage et porte ainsi l'ensemble sur la paroi intérieure du support 3 par une pièce isolante 20, cylindrique recevant également la chaîne de résistances 10 allant au tube à transit E6. Les chaînes de résistances 10 allant aux tubes à transit E1-E6 des étages d'accélération sont portées par des demi-coquilles 23 placées entre les disques de contact et de centrage 8 autour des segments de tubes 6 en céramique. Les chaînes de résistance 10 s'appuient sur les disques de contact 8 chaque fois sur le segment cintré des bagues élastiques 28 en U pour le passage du courant. Un tube 24 traverse l'accélérateur en direction de la cible 12 à travers la cavité 15, en partant de l'entrée 38 de la bride 7, pour que le fluide de refroidissement qu'il fournit, par exemple de l'huile isolante, arrive de force dans la zone d'extrémité du tube d'accélérateur, à l'extérieur de la zone du support de cible 36. On refroidit ainsi extérieurement la zone de la cible. Lors du retour, le fluide de refroidissement ainsi introduit arrive dans la cavité 15 et sort de nouveau par la bride 7 à travers la sortie 38. En plus de sa structure compacte, l'accélérateur présente l'avantage que sa cavité 15 soit accessible de l'extérieur par la source d'ions 18. Ainsi, lorsque le récipient à plasma 11 est enlevé et que l'électrode de focalisation 22 est démontée, on peut, sans autre démontage de l'accélérateur, échanger la cible 12 à l'extrémité du dernier tube à transit E6. Tous les moyens décrits ci-dessus permettent en défi- nitive de maintenir le diamètre extérieur du multiplicateur de haute tension 2 ou le diamètre de la cavité 15 peut être limité à environ 200 mm grâce à la construction coaxiale. LISTE DES REFERENCES 1 tube d'accélérateur 2 multiplicateur de haute tension 3 support 4 ligne d'alimentation 5 ligne d'alimentation 6 segment de tube en céramique 7 bride 8 disque de contact et de centrage 9 sorties 10 chaîne de résistances 11 enceinte à plasma 12 cible 13 boîtier 14 cavité 15 cavité 16 raccord de pompe 17 transformateur haute tension 18 source d'ions 19 socle 20 pièce isolante 21 axe de l'accélérateur 22 électrode de focalisation 23 demi-coquille 24 tube 25 bague d'appui 26 perçage 27 rainure 28 bague élastique en acier inoxydable 29 côté extérieur 30 surfaces frontales 31 partie en saillie 32 branche longue 33 branche courte 34 bord externe 35 boîtier de la source 36 support de la cible 37 volume annulaire 38 sortie 39 entrée 40 pièce isolante E1-E6 tubes à transit des étages de l'accélérateur S1-S6 étages du multiplicateur de haute tension REVENDICATIONS 1") Accélérateur électrostatique pour tirer une cible avec des faisceaux de particules chargées électriquement dans un domaine d'énergie de 200 keV dans un système sous vide, fermé, comprenant a) une source (18) pour l'émission de particules char gées, b) un chemin d'accélération étagé adjacent à la source (18) avec des tubes à transit (E1-E6) placés les uns derrière les autres, à distance, ces tubes laissant passer le faisceau, c) un multiplicateur de haute tension (2) pour les tubes à transit (E1-E6), auquel est appliquée la tension d'accélération, d) une cible (12) montée sur un support refroidi à l'extrémité du chemin d'accélération, accélérateur caractérisé en ce que e) le chemin d'accélération, formé des différents tubes à transit (E1-E6), est totalement coaxial sur toute sa longueur à l'intérieur du multiplicateur de haute tension (S1-S6) qui l'entoure de façon annulaire. 2 ) Accélérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que f) les différents tubes à transit (E1-E6) sont isolés les uns par rapport aux autres par des segments de tubes (6) en matière céramique, placés les uns à la suite des autres, en étant maintenus à distance et en étant réunis pour former un ensemble fixe, tubu laire, g) sur le côté extérieur (29) des différents tubes à transit (E1-E6) du chemin d'accélération se trouve chaque fois en contact conducteur, un disque de contact et de centrage (8), périphérique, radiale ment en saillie, et contre chacun de ces deux côtés, est fixé un segment de tube en céramique (6), au niveau de sa surface frontale (30), h) les disques de contact (8) dépassent radialement par leurs diamètres extérieurs des segments de tubes (6) et sont fixés de manière étanche à ceux ci par leur partie en saillie (31) à l'aide d'un point de liaison. 3 ) Accélérateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que i) le point de liaison entre chaque segment de tube (6) et le disque (8) intermédiaire se compose d'un anneau élastique (28) métallique, cintré en forme de U en direction du disque avec des branches de longueurs différentes, la branche longue (32), extérieure, étant soudée sur le bord extérieur (34) de la partie en saillie (31) du disque (8) et la branche courte (33) étant brasée sur le bord exté rieur de la surface frontale (30) du segment de tube (6) respectif, j) les branches (32, 33) de longueurs différentes formant une rainure d'écartement (27) entre chaque segment de tube (6) et le disque (8), cette rainure étant enjambée de manière étanche par l'anneau élastique (28). 4 ) Accélérateur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que k) les sorties des différents étages (S1-S6) du multi plicateur de haute tension (2) sont reliées respec tivement par un passage résistant à la haute tension et par une chaîne de résistances (10) entourant les segments de tubes (6) au disque de contact (8) du tube à transit (E1-E6) correspon dant. 5') Accélérateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que 1) la chaîne de résistances (10) est prévue sur le disque à contact (8), au niveau du segment cintré de la bague élastique en forme de U, (28) pour le passage du courant.