Brevet FR2926395A1 — publié le 20090717

Source pulsée d'électrons, procédé EXCICO3.FRD d'alimentation électrique pour source pulsée d'électrons et procédé de commande d'une source pulsée d'électrons L'invention relève du domaine des sources pulsées d'électrons et des dispositifs mettant en œuvre de telles sources. Une source pulsée d'électrons peut être mise en œuvre dans un laser à gaz à excitation électronique ou encore dans un générateur magnétohydrodynamique. Le document FR 2 204 882 décrit une source d'électrons comportant une enceinte emplie d'un gaz sous faible pression munie d'une fenêtre de sortie des électrons, une cathode froide à haute tension négative par rapport à la fenêtre pour l'émission d'électrons secondaires, une chambre d'ionisation du gaz ménageant un passage pour la circulation des ions vers la cathode et la circulation des électrons secondaires vers la fenêtre, et un écran ou grille disposé entre la cathode et la chambre d'ionisation et porté à un potentiel proche de celui de la fenêtre pour créer entre la grille et la fenêtre et dans la chambre d'ionisation un espace sensiblement équipotentiel, et entre la grille et la cathode un espace à gradient de potentiel élevé. La Demanderesse s'est aperçue que la grille posait des difficultés particulières. En effet, d'une part la grille doit isoler les deux chambres en prévenant une fuite parasite des ions primaires de la chambre d'ionisation vers la chambre d'accélération pendant l'ionisation. D'autre part, la grille doit être la plus transparente possible pour faire passer avec le minimum de perte le faisceau d'électrons formé dans la chambre d'accélération pendant l'accélération. La séparation ne peut être que partielle quand une partie des ions créée dans la chambre d'ionisation pénètre dans la chambre d'accélération et influence son fonctionnement. Le document FR 2 591 035 propose d'utiliser une grille de forme spéciale pour rendre la séparation plus efficace entre les deux chambres. Toutefois, le plasma primaire pénètre dans la chambre d'accélération et enveloppe la cathode. Il en résulte une perturbation du fonctionnement de l'alimentation à haute tension impulsionnelle de la cathode, un allongement de l'impulsion de courant du faisceau électronique et une détérioration du contraste. L'utilisation d'une deuxième grille auxiliaire portée à un potentiel négatif pour repousser les électrons libres à l'intérieur de la chambre d'ionisation ou à un potentiel positif pour repousser les ions positifs de la frontière de séparation entre les deux chambres nécessite l'utilisation d'une alimentation électrique supplémentaire et complique de la sorte l'ensemble de la source pulsée d'électrons. Le faisceau électronique formé dans la chambre d'accélération est obligé de passer au travers des grilles ce qui d'une part atténue le faisceau électronique et d'autre part endommage les grilles. L'endommagement des grilles conduit à limiter le courant du faisceau électronique et réduit considérablement la durée de vie des grilles et donc de la source. L'invention a notamment pour but de remédier aux inconvénients de l'art antérieur ci-dessus. L'invention a notamment pour but de fournir une source électronique à longue durée de vie, à alimentation haute tension de puissance faible, à rendement d'électrons élevé entre la cathode et la sortie de la source et à fort contraste du courant du faisceau électronique. La source pulsée d'électrons comprend une chambre d'ionisation, une chambre d'accélération munie d'une électrode pour extraire et accélérer les ions primaires et former un faisceau d'électrons secondaires, une alimentation électrique configurée pour appliquer à l'électrode une tension positive pour repousser un plasma primaire hors de la chambre d'accélération et une impulsion de tension négative pour extraire et accélérer les ions primaires et former un faisceau d'électrons secondaires. La tension positive appliquée à l'électrode permet d'éloigner les ions positifs de la chambre d'accélération. Dans un mode de réalisation, l'électrode présente une forme générale cylindrique convexe. L'électrode peut être pourvue d'une partie centrale plate ou concave située en regard d'une fente reliant la chambre d'ionisation et la chambre d'accélération. On favorise ainsi l'émission d'un faisceau d'électrons concentré en direction de la fente. Dans un mode de réalisation, la chambre d'ionisation et la chambre d'accélération sont reliées par une fente ouverte. Il est possible de se passer de la présence d'une grille. La structure de la source est simplifiée. L'atténuation du faisceau électronique est réduite. La durée de vie de la source n'est plus limitée par celle de la grille. Dans un mode de réalisation, la chambre d'ionisation et la chambre d'accélération sont reliées par une fente disposée entre la partie centrale de l'électrode et une sortie de la chambre d'ionisation. La fente est disposée sur le trajet du faisceau d'électrons entre l'électrode et la sortie de la chambre d'ionisation. La sortie de la chambre d'ionisation peut être ouverte. Alternativement, la sortie de la chambre d'ionisation peut être munie d'au moins une grille. La sortie de la chambre d'ionisation peut être fermée par une feuille comprenant une couche métallique pour convertir les électrons en rayons X. La couche métallique peut comprendre au moins un métal de masse atomique supérieure à 50. Dans un mode de réalisation, l'alimentation comprend un transformateur impulsionnel pourvu d'un primaire relié à une source de tension continue par l'intermédiaire d'un condensateur. Un interrupteur peut être disposé entre la masse et une borne du condensateur du côté opposé au primaire. Le transformateur impulsionnel est pourvu d'un secondaire relié à l'électrode. Une source auxiliaire de tension est disposée pour appliquer à ladite électrode ladite tension positive. La source auxiliaire de tension peut être disposée entre la masse et l'électrode. La source auxiliaire de tension peut être disposée en série avec le secondaire du transformateur. Une capacité peut être mise en parallèle avec la source de tension. Une alimentation électrique peut ainsi assurer la génération d'une tension positive de polarisation de l'électrode et la génération d'une impulsion de tension négative appliquée à ladite électrode. L'alimentation électrique présente une structure simple et économique. Dans un mode de réalisation, l'alimentation comprend une protection en série avec la source auxiliaire de tension. La protection peut comprendre au moins une diode, une capacité et/ou une inductance. La source auxiliaire de tension peut présenter une tension 5 comprise en 100 et 500 volts, préférablement entre 200 et 400 volts. En d'autres termes, une source pulsée d'électrons comprend une chambre d'ionisation, une chambre d'accélération munie 10 d'une électrode pour extraire et accélérer les ions primaires et former un faisceau d'électrons secondaires, une ouverture entre la chambre d'ionisation et la chambre d'accélération, un moyen pour obturer électriquement ladite ouverture, et une alimentation électrique impulsionnelle 15 pour appliquer à l'électrode une haute tension négative de formation d'un faisceau d'électrons. Dans un mode de réalisation, la chambre d'ionisation comprend une électrode en vue d'une décharge électrique 20 entre ladite électrode et les parois internes de la chambre d'ionisation formant une cathode creuse. L'électrode de la chambre d'ionisation peut se présenter sous la forme d'un ou plusieurs filaments. Ladite électrode peut être alimentée par une alimentation électrique susceptible de 25 fournir une tension positive, impulsionnelle ou continue, de l'ordre de quelques kV, par exemple comprise en 1 et 10 kV. Une alimentation impulsionnelle peut fournir une impulsion d'une durée comprise en 1 et 10 microsecondes, de courant crête compris en 100 et 1000 A, et/ou de tension 30 comprise entre 5 et 10 kV. En fonctionnement, l'ionisation au sein de la chambre d'ionisation peut être obtenue en maintenant les parois internes de la chambre d'ionisation formant cathode creuse à la masse, en portant l'électrode de la chambre d'ionisation à une tension positive comprise entre 1 et 10 kV et en portant l'électrode de la chambre d'accélération à un potentiel positif compris entre 100 et 500 volts. On protège ainsi la chambre d'accélération contre la pénétration d'ions positifs du plasma primaire en provenance de la chambre d'ionisation au travers de l'ouverture entre lesdites chambres. Pour un régime spécifique de fonctionnement de la source, la tension appliquée à l'électrode de la chambre d'accélération peut être calculée en fonction de la nature du gaz, notamment de sa masse atomique, de la pression du gaz, de la tension et du courant de l'électrode de la chambre d'ionisation, de l'ouverture et de la profondeur de la fente entre lesdites chambres, etc. Une fois que la décharge primaire est générée dans la chambre d'ionisation, une tension impulsionnelle négative de l'ordre de -50 à -200 kV est appliquée à l'électrode de la chambre d'accélération. Les ions positifs primaires présents dans la chambre d'ionisation sont alors accélérés à travers la fente vers l'électrode de la chambre d'accélération. Ladite électrode de la chambre d'accélération se trouve bombardée par des ions positifs. Le bombardement produit des électrons secondaires qui sont accélérés par ledit potentiel négatif vers la sortie de la source en passant par ladite fente. Un dispositif d'alimentation électrique pour source pulsée d'électrons comprend un moyen pour appliquer à une électrode d'une chambre d'accélération de la source, une tension positive, puis une impulsion de tension négative pour extraire et accélérer les ions primaires et former un faisceau d'électrons secondaires. La tension positive permet de réduire la quantité d'ions positifs présents dans la chambre d'accélération préalablement à l'impulsion de tension négative. Le dispositif peut comprendre une source électrique auxiliaire reliée à l'électrode de la chambre d'ionisation. Le dispositif peut comprendre un transformateur impulsionnel élévateur de tension. Le secondaire du transformateur peut être relié à l'électrode de la chambre d'ionisation pour appliquer ladite impulsion de tension négative. Le procédé de commande d'une source pulsée d'électrons comprenant une chambre d'ionisation et une chambre d'accélération pour extraire et accélérer les ions primaires et former un faisceau d'électrons secondaires, comprend une étape d'application à ladite électrode d'une tension positive fournie par une alimentation électrique pour repousser un plasma primaire hors de la chambre d'accélération et une étape d'application à ladite électrode d'une impulsion de tension négative fournie par l'alimentation électrique pour extraire et accélérer les ions primaires et former un faisceau d'électrons secondaires. Au moment de l'application de la haute tension négative à l'électrode de la chambre d'accélération, le voisinage de l'électrode se trouve sensiblement dépourvu de plasma d'ions positifs. En d'autres termes, le plasma se trouve sensiblement confiné dans la chambre d'ionisation. La chambre d'accélération est sensiblement dépourvue de plasma. Il en résulte que la capacité parasite entre l'électrode et le plasma est très faible en comparaison de la capacité parasite en présence de plasma dans la chambre d'accélération. L'obtention d'une tension d'accélération souhaitée peut être réalisée à partir d'une tension de charge de l'alimentation électrique de l'électrode nettement plus faible. La puissance de l'alimentation haute tension de l'électrode d'accélération peut être réduite ce qui s'avère particulièrement économique. Le faisceau électronique subit une atténuation plus faible. L'impulsion de courant du faisceau électronique présente un contraste satisfaisant. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'une source pulsée d'électrons ; et - les figure 2 et 3 sont des schémas électriques d'alimentations de l'électrode de la chambre d'accélération ; Comme on peut le voir sur la figure 1, la source pulsée d'électrons 1 comprend une chambre d'accélération 2 dans laquelle est disposée une électrode 3, et une chambre d'ionisation 4 dans laquelle est disposée une électrode 5. Une fente 6 met en communication la chambre d'accélération 2 et la chambre d'ionisation 4. Les chambres d'accélération 2 et d'ionisation 4 sont formées par une enceinte 7 comprenant des parois extérieures 8 et une paroi intérieure 9 délimitant les chambres d'accélération 2 et d'ionisation 4. En d'autres termes, la chambre d'accélération 2 est délimitée par plusieurs parois extérieures 8 et la paroi intérieure 9. La chambre d'ionisation 4 est délimitée par plusieurs parois extérieures 8 et par la paroi intérieure 9. La paroi intérieure 9 est commune aux chambres d'accélération 2 et d'ionisation 4. Les parois 8 et 9 sont métalliques, par exemple à base d'acier inoxydable ou de laiton, éventuellement recouvert intérieurement d'une couche à base d'aluminium ou de nickel. L'électrode 5 peut comprendre un ou plusieurs fils allongés selon la direction principale de la chambre 4. Le fil peut être alimenté à ses deux extrémités en vue d'une homogénéité accrue du champ électrique. Dans le plan de coupe de la figure 1, les chambres d'accélération 2 et d'ionisation 4 peuvent être sensiblement rectangulaires, la source pouvant présenter une forme de parallélépipède rectangle ou encore une forme tubulaire. Dans ce dernier cas, la paroi intérieure 9 peut être circulaire. La source 1 est munie d'une sortie 10 sous la forme d'un trou ménagé dans la paroi extérieure 8 délimitant la chambre d'ionisation 4 du côté opposé à la paroi intérieure 9. La sortie 10, la fente 6 et l'électrode 3 de la chambre d'accélération 2 sont alignées. Plus précisément, l'électrode d'accélération 3 peut se présenter sous la forme d'une pièce cylindrique par exemple 25 de forme généraletubulaire . L'électrode 3 est reliée à une alimentation électrique 11, voir figure 2, par un câble électrique 12 traversant une 30 paroi extérieure 8 par un isolateur étanche 13. L'électrode 5 de la chambre d'ionisation 4 peut se présenter sous la forme d'un ou plusieurs filaments et est reliée à une alimentation électrique extérieure non représentée par un câble électrique 14 traversant un isolateur étanche 15. Les isolateurs étanches 13 et 15 peuvent comprendre de la céramique. Les isolateurs étanches 13 et 15 assurent une fonction d'étanchéité au gaz et de traversée électrique. Lors d'une première étape, l'enceinte 7 est mise à la masse. L'électrode 5 de la chambre d'ionisation 4 est portée à une tension positive comprise entre 1 et 10 kV. Ladite tension peut être impulsionnelle ou continue. La chambre d'ionisation 4 étant au préalable remplie avec un gaz, par exemple un gaz rare, notamment de l'hélium ou encore un mélange d'hélium et de néon à une faible pression de l'ordre de 1 à 20 pascals. La sortie 10 de la source 1 peut être ouverte ou encore munie d'une grille de contrôle du faisceau si les conditions gazeuses à l'extérieur de la source 1 sont proches de celles régnant dans les chambres d'ionisation 4 et d'accélération 2. La sortie 10 peut, le cas échéant, être munie d'un obturateur 16. L'obturateur 16 peut comprendre une feuille métallique ou en matériau synthétique de faible épaisseur avec une couche fine de métal lourd. La couche de métal lourd peut présenter une épaisseur de l'ordre de 1 à 10 p. La couche de métal lourd peut comprendre un ou plusieurs métaux de masse atomique supérieure à 50, par exemple de l'or, du tantale, du tungstène, etc. La couche de métal lourd permet de convertir le faisceau électronique en un faisceau de rayons X. La tension appliquée à l'électrode 5 provoque une décharge électrique entre ladite électrode 5 et les parois de la chambre d'ionisation 4. Ladite décharge génère un plasma 1730 dans la chambre d'ionisation 4. La fente 6 créant une légère discontinuité de champ électrique, le plasma 17 pourrait avoir tendance à se répandre dans la chambre d'accélération 2. Toutefois, la polarisation positive Ubias appliquée à l'électrode d'accélération 3 permet de rétablir des lignes de champ électrique relativement régulières empêchant, ou à tout le moins limitant, la diffusion du plasma 17. Le plasma 17 comprend des ions positifs, par exemple He+ attirés par le potentiel électrique le plus faible et sur lesquels la tension positive de polarisation Ubias de l'électrode d'accélération 3 produit un effet de répulsion. On parvient ainsi à réduire très fortement le passage d'ions positifs du plasma 17 dans la chambre d'accélération 2 lors de la première phase dite d'ionisation. En d'autres termes, on bénéficie d'une obturation électrique de la fente 6. La fente 6 à obturation électrique s'avère particulièrement avantageuse dans la mesure où la circulation d'éléments néfastes peut être fortement freinée tandis que la circulation dans la fente 6 d'éléments que l'on souhaite y faire passer est nettement moins gênée que lors de la présence d'une grille. On peut alors passer à la deuxième étape dite d'accélération. On applique alors une haute tension négative -Ugun à l'électrode d'accélération 3. Les ions positifs du plasma 17 sont alors attirés par l'électrode d'accélération 3 réalisant ainsi un bombardement ionique de l'électrode d'accélération 3. Le bombardement ionique se produit pour une majeure partie sur le méplat 3a de ladite électrode 3 située en regard de la fente 6. Le bombardement ionique de l'électrode d'accélération 3, en particulier du méplat 3a provoque l'émission d'électrons. Les électrons subissent un effet répulsif de l'électrode d'accélération 3 en raison de la haute tension négative -Ugun et s'échappent par la fente 6 et la sortie 10 de la source 1. Le méplat 3a, la fente 6 et la sortie 10 étant alignés, les électrons accélérés par l'électrode d'accélération 3 peuvent traverser la fente 6 en subissant de très faibles pertes et la sortie 10, le cas échéant, en subissant des pertes dues à la présence de l'obturateur. Lors de l'application de la haute tension négative -Ugun à l'électrode d'accélération 3, la chambre d'accélération 2 est sensiblement dépourvue de plasma. La capacité parasite entre l'électrode d'accélération 3 et l'enceinte 7 est alors très faible. Il en résulte que l'obtention de la tension -Ugun sur l'électrode 3 requiert une moindre énergie. Le dimensionnement de l'alimentation électrique 11 peut être revu à la baisse ce qui s'avère particulièrement économique. L'atténuation du faisceau électronique est réduite grâce à la fente ouverte 6. Par ailleurs, la fente 6 peut présenter des bords arrondis.Comme illustré sur la figure 2, l'alimentation électrique 11 comprend un transformateur impulsionnel 18 muni d'un primaire 19 et d'un secondaire 20. Le primaire 19 du transformateur impulsionnel 18 est relié d'une part à la masse et d'autre part à un condensateur 21. A l'opposé du primaire 19, le condensateur 21 est relié à source de tension Uo et à un interrupteur 22. L'interrupteur 22 est également relié à la masse pour pouvoir court-circuiter le condensateur 21 et le primaire 19. Le secondaire 20 est relié d'une part à la masse de l'alimentation et d'autre part à l'électrode d'accélération 3 de la source d'électrons 1. L'alimentation électrique 11 comprend également montée parallèle au secondaire 20 une source auxiliaire de tension 23 fournissant la tension de polarisation Ubias et reliée d'une part à la masse de l'alimentation et d'autre part au point commun entre le secondaire 20 et l'électrode 3. Une protection 24 peut avantageusement être disposée en série avec la source auxiliaire 23 en vue de limiter la circulation de courant. La protection 24 peut comprendre au moins une diode, un condensateur et/ou une inductance. En outre, un capteur de courant 25 peut être prévu à la sortie de l'alimentation électrique 11 pour mesurer le courant consommé dans la chambre d'ionisation 2. Lors de la première phase, l'interrupteur 22 forme un 15 circuit ouvert. Le condensateur 21 est chargé à la tension U0. La source auxiliaire de tension 23 maintient l'électrode d'accélération 3 à la tension de polarisation positive 20 Ubias. Pour limiter les pertes dans le secondaire 20, une diode, non représentée, peut être disposée entre le secondaire 20 et le point commun à la protection 24 et à l'électrode d'accélération 3. Après la fermeture de l'interrupteur 22 mettant en court-circuit le condensateur 25 21 et le primaire 19 du transformateur 18, une impulsion de haute tension négative ùUgun est fournie par le secondaire 20 du transformateur 18 et appliquée à l'électrode d'accélération 3. 30 Sur la figure 2, la source d'électrons 1 a été représentée sous sa forme équivalente électrique de la capacité parasite Cgun. La capacité parasite Cgun est considérablement réduite en raison de l'absence, ou à défaut de la très faible quantité, du plasma dans la chambre d'accélération 2 lors de la première étape d'ionisation. En cas de présence de plasma dans la chambre d'accélération 2, la polarisation du plasma génère une forte capacité parasite. Grâce à l'application de la tension de polarisation positive Ubias qui évite l'entrée d'ions positifs du plasma 17 dans la chambre d'accélération 2 lors de la première étape, la chambre d'accélération 2 est substantiellement dépourvue de plasma au moment de l'application de la haute tension négative -Ugun à l'électrode d'accélération 3. La capacité parasite Cgun reste donc faible. La tension de charge Uo de l'alimentation 11 peut être réduite. Alternativement, le rapport de transformation du transformateur 18 peut être réduit. Comme illustré sur la figure 3, la source auxiliaire 23 est en série afec le secondaire 20, par exemple entre la masse et le secondaire 20. La protection 24 peut comprendre un condensateur monté parallèlement à la source auxiliaire 23. On dispose d'une source pulsée d'électrons à alimentation électrique de puissance réduite et donc plus économique. Le faisceau d'électrons subit des faibles pertes au passage entre la chambre d'accélération 2 et la chambre d'ionisation 4. La construction d'une fente ouverte 6 s'avère plus économique que celle d'une grille. La durée de vie de la source est prolongée en n'étant pas limitée par celle d'une grille entre les chambres. Revendications 1. Source pulsée d'électrons (1), comprenant une chambre d'ionisation (4), une chambre d'accélération (2) munie d'une électrode (3) pour extraire et accélérer les ions primaires et former un faisceau d'électrons secondaires, caractérisée par le fait qu'elle comprend une alimentation (11) configurée pour appliquer à ladite électrode (3) une tension positive pour repousser un plasma primaire {17) hors de la chambre d'accélération (2) et une impulsion de tension négative pour extraire et accélérer les ions primaires et former un faisceau d'électrons secondaires. 2. Source selon la revendication 1, dans laquelle l'électrode (3) présente une forme générale cylindrique convexe et est pourvue d'une partie centrale plate (3a) ou concave située en regard d'une fente (6) reliant la chambre d'ionisation (4) et la chambre d'accélération (2). 3. Source selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la chambre d'ionisation (4) et la chambre d'accélération (2) sont reliées par une fente ouverte (6). 4. Source selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la chambre d'ionisation (4) et la chambre d'accélération (2) sont reliées par une fente (6) disposée entre la partie centrale (3a) de l'électrode (3) et une sortie (10) de la chambre d'ionisation (4). 30 5. Source selon la revendication 4, dans laquelle ladite sortie (10) est ouverte. 15 6. Source selon la revendication 4, dans laquelle ladite sortie (10) est munie d'au moins une grille. 7. Source selon la revendication 4, dans laquelle ladite sortie {10) est fermée par une feuille (16) comprenant une couche métallique pour convertir les électrons en rayons X. 8. Source selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'alimentation (11) comprend un transformateur impulsionnel (18) pourvu d'un primaire (19) relié à une source de tension continue par l'intermédiaire d'un condensateur 21), un interrupteur (22) étant disposé entre la masse et une borne du condensateur du côté opposé au primaire, et d'un secondaire (20) relié à l'électrode, une source auxiliaire de tension (23) étant disposée entre la masse et l'électrode pour appliquer à ladite électrode ladite tension positive. 9. Source selon la revendication 8, dans laquelle l'alimentation comprend une protection (24) en série avec la source auxiliaire de tension (23). 10. Source selon la revendication 8 ou 9, dans 25 laquelle la source auxiliaire de tension (23) est montée en série avec le secondaire de transformateur. 11. Source selon la revendication 10, dans laquelle un condensateur est monté en parallèle avec la source 30 auxiliaire. 12 Procédé de commande d'une source pulsée d'électrons (1) comprenant une chambre d'ionisation (4), une chambred'accélération (2) munie d'une électrode (3) pour extraire et accélérer les ions primaires et former un faisceau d'électrons secondaires, comprenant une étape d'application à ladite électrode (3) d'une tension positive fournie par une alimentation électrique (11) pour repousser un plasma primaire hors de la chambre d'accélération et une étape d'application à ladite électrode (3) d'une impulsion de tension négative fournie par l'alimentation électrique (11) pour extraire et accélérer les ions primaires et former un faisceau d'électrons secondaires.