[0001] L'invention concerne un dispositif de protection d'un tube neutronique comportant
une source d'ions dont l'anode 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 isolant et portée à un potentiel négatif
fourni par une alimentation HT, ledit dispositif de protection étant constitué par
des éléments de limitations électriques du courant tube et/ou de la tension cible.
[0002] Dans leur application courante, les tubes neutroniques fonctionnent dans des conditions
compatibles avec les possibilités de dissipation thermique, en particulier de la cible
et de son support.
[0003] Leurs définitions sont par ailleurs prévues pour des modes de fonctionnement à large
dynamique :
- le fonctionnement en mode continu nécessite un dimensionnement en conséquence des
isolements,
- le fonctionnement en mode pulsé et à récurrence rapide conduit à des structures
d'extraction permettant des courants d'ions relativement élevés.
[0004] 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'extraction
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 applicables sur ces tubes
peuvent permettre d'extraire des courants d'ions importants pendant des temps courts.
[0005] L'ensemble de ces considérations montre, qu'en particulier 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 voisin de 1,5.
[0006] 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.
[0007] Le but de l'invention est de fournir au constructeur du tube, un moyen de prévention
contre de tels changements.
[0008] 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 électriques fixant les conditions
nominales de fonctionnement du tube nécessite l'ouverture dudit tube.
[0009] Lesdits éléments de limitation du courant tube comportent 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.
[0010] La résistance et le limiteur de tension peuvent être placés à l'intérieur d'un boîtier
étanche alimenté par des passages étanches ou dans une ampoule de verre scellée. Ils
peuvent être réalisés en technologie sérigraphiée ou constitués par des montages
mixtes d'éléments sérigraphiés et de composants discrets compatibles avec la qualité
de vide nécessaire au tube neutronique.
[0011] 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 externe 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'intérieur d'une enveloppe
d'alumine (ou tout autre isolant compatible 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 résistifs (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.
[0012] L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de quelques
modes de réalisation de dispositifs donnés à titre d'exemples non limitatifs, ladite
description 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 éléments de limitation
du courant tube,
- figures 3 et 4 respectivement, un premier et un second exemple de disposition des
éléments de limitation de courant dans le tube neutronique,
- figure 5, un exemple de disposition des éléments de limitation 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.
[0013] Les éléments qui se correspondent sur ces figures sont indiqués par les mêmes chiffres
de référence.
[0014] Le tube neutronique représenté sur la figure 1 comporte une source d'ions obtenus
à partir d'un mélange deutérium-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 issu de cette source est accéléré par l'électrode
d'accélération 5 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'électrode d'accélération.
[0015] 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...).
[0016] L'alimentation de la source d'ions est assurée par le générateur de tension continue
10 de valeur V
aa dont le pôle négatif est relié à la masse du tube et dont le pôle positif est relié
à l'anode 2 à travers la résistance 11 de valeur R
a.
[0017] Schématiquement, le courant de décharge dans le tube neutronique peut être subdivisé
en deux régimes :
- un régime basse pression pour lequel le courant de décharge I
d varie en fonction de la pression P
DT à l'intérieur du tube et de la tension anode-cathode V
ak suivant la relation :
I
d ∝ P

V

avec γ et v voisins de 1.Cette relation montre que l'augmentation du courant de décharge
est obtenue par une augmentation de la pression P
DT avec une limite supérieure correspondant au régime d'arc ou par augmentation de
la tension anode-cathode V
ak ; dans ce dernier cas, il est nécessaire d'augmenter le champ magnétique B de façon
à garder un rapport V
ak/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 V
ak₀ est presque constante. On a donc :
V
aa = R
aI
d + V
ak₀
Le courant I
d est alors donné par :

[0018] Dans les deux régimes, le courant I
d est limité par la tension d'alimentation V
aa et par la résistance R
a.
[0019] Les dispositifs objets de l'invention permettront donc d'agir sur ces deux paramètres
et comprendront la résistance 11 de valeur R
a compatible avec le flux maximum instantané prévu par le constructeur et un limiteur
de tension 12 (éclateur, varistance, diode à gaz,...) d'impédance Z
a, connecté 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.
[0020] 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 possible ; il
comporte le générateur de tension continue 13 de valeur V
ac dont le pôle positif est mis à la masse et dont le pôle négatif est connecté à l'électrode
d'accélération à travers la résistance 14 de valeur R
c. Cette limitation du courant cible I
c peut être complétée par une limitation de tension au moyen d'un limiteur 15 (éclateur
ou varistance) d'impédance Z
c, connecté aux bornes du générateur de courant 13.
[0021] 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.
[0022] Les structures correspondantes sont fonction de la structure du tube et les descriptions
données (types de composants, exemples de localisation) ne constituent que des illustrations
non limitatives. Un point commun à l'ensemble des solutions retenues est leur compatibilité
avec les contraintes en particulier thermiques résultant de la technologie de réalisation
des tubes.
[0023] Avant de détailler quelques exemples de dispositifs de limitation des deux types
on rappelle que l'émission neutronique instantanée Q
n est reliée globalement aux paramètres électriques courant tube I
TU et tension cible V
c par une relation du type
Q
n ≃ k I
TU V

avec 0,3<k<1 et 3<β<4 pour 80 kV<V
c<150 kV. Ceci est valable pour I
TU exprimé en ampères, V
c en kilovolts, Q
n en neutrons/seconde et pour des pressions du mélange de gaz hydrogéné inférieures
ou égales à 10⁻² torr.
[0024] Les éléments de limitation du courant tube peuvent être montés de manière à ne former
qu'un seul ensemble limiteur 16. Les figures 2a, 2b et 2c montrent quelques exemples
de montages.
[0025] Sur la figure 2a, la résistance 11 et le limiteur de tension 12 sont disposés dans
un boîtier étanche BO alimenté par des passages étanches PAS1 et PAS2.
[0026] Sur la figure 2b la résistance 11 et le limiteur de tension 12 sont placés dans un
tube scellé TU.
[0027] Sur la figure 2c, la résistance 11 et le limiteur de tension par claquage 12 sont
réalisés en technologie sérigraphié et doivent être compatibles avec la qualité de
vide indispensable au tube neutronique. La résistance 11 est constituée 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).
[0028] Les figures 3 et 4 montrent deux exemples de disposition de l'ensemble limiteur
du courant d'anode à l'intérieur même du tube neutronique conformément à l'invention.
[0029] Sur la figure 3, l'anode 2 est maintenue mécaniquement 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.
[0030] Sur la figure 4, l'anode est montée directement sur le boîtier étanche 16 par l'intermédiaire
du support isolant 21 a 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 boîtier 16 est raccordé au support du
réservoir 23 et à l'armature du tube 7 par une soudure "trois lèvres" 24.
[0031] L'ensemble de limitation 16 peut être réalisé en utilisant différentes natures de
composants, par montage direct de composants discrets (résistance, éclateur) assemblés
en parallèle dans le pied du tube ; la technologie de ces composants doit être compatible
avec l'ultra-vide. Des montages mixtes d'éléments sérigraphiés et de composants discrets
peuvent également être assemblés en fonction de leur compatibilité à l'ultra-vide.
[0032] 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.
[0033] Sur la figure 5 une résistance 25 est disposée sur l'extérieur du cylindre isolant
9 servant de support à la cible 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'accélération 5.
[0034] Cette résistance 25 peut être constituée par exemple d'éléments sérigraphiés déposés
sur l'extérieur du cylindre 9 sous forme d'hélice ou de fil résistif isolé suivant
la technologie haute température et bobiné spire à spire ou en galette.
[0035] L'électrode d'accélération 5 est maintenue par le support isolant 26.
[0036] Sur la figure 6, la résistance 25 est formée de résistances 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.
[0037] Cette limitation de courant au moyen de la résistance 25 peut être complétée par
une limitation de tension au moyen d'un éclateur (ou d'une varistance) 28 disposé
à l'intérieur de l'enveloppe d'alumine et connecté entre la masse et la soudure "trois
lèvres" 29 reliée au pôle négatif de l'alimentation HT de cible.
[0038] 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 solution dépendra de la compatibilité des varistances et résistances à l'ultra-vide
et de la technologie des résistances (tenue en température, dégazage). On pourraît
par exemple placer les éléments de limitation de la tension cible sous gaz contrôlé
de type hexafluorure de soufre sous la pression de un à quelques bars.
1. Dispositif de protection d'un tube neutronique comportant une source d'ions dont
l'anode 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 isolant et portée à un potentiel négatif fourni par une alimentation
HT, ledit dispositif de protection étant constitué par des éléments de limitations
électriques du courant tube et/ou de la tension cible, caractérisé 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
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 comportent 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 boîtier 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 qualité 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 sérigraphié, l'ensemble étant disposé sur plaquette
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 sérigraphiés
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 disposée en hélice sur la face externe d'un cylindre
isolant servant 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 tension 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 résistances (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.