[0001] La présente invention concerne la production d'un faisceau d'électrons énergétiques.
On entend par là des électrons ayant une énergie comprise entre 1 et 100 keV, environ.
Il est en général souhaité par les utilisateurs de tels faisceaux que cette production
soit économique, et que la densité de courant et l'intensité totale des faisceaux
produits soient grandes.
[0002] Tel est notamment le cas lorsque le faisceau d'électrons produit est impulsionnel
et destiné à frapper une cible, par exemple de tantale, pour engendrer un faisceau
de rayons X, ce dernier faisceau étant destiné à préioniser une chambre à décharge
d'un laser à gaz impulsionnel. On sait en effet que dans un tel laser le pompage d'un
milieu d'amplification optique gazeux est réalisé par une décharge électrique dont
l'homogénéité est souvent obtenue grâce à une préionisation de ce milieu par un faisceau
impulsionnel de rayons X. L'énergie de ces derniers doit alors être suffisante pour
qu'ils pénétrent sans pertes sensibles dans la chambre à décharge à travers une fenêtre
étanche et résistante. Et leur intensité doit être suffisante pour assurer une préionisation
efficace, ceci dans un court laps de temps, par exemple 20ns. Le faisceau d'électrons
doit pour cela présenter une densité de courant élevée, par exemple 400 A/cm².
[0003] Les générateurs d'électrons énergétiques connus les plus utilisés dans une telle
application sont des canons impulsionnels à cathode froide. Ils fonctionnent généralement
dans un vide poussé dit vide secondaire par exemple 10⁻³ ou 10⁻⁴ Pa, de manière à
éviter que les électrons émis par la cathode et accélérés par un champ électrique
en direction d'une anode ne soient excessivement ralentis par les collisions avec
le gaz résiduel.
[0004] La nécessité de maintenir un tel vide élève le coût de la fabrication et de la maintenance
d'un tel générateur ainsi que son encombrement.
[0005] C'est pourquoi on a proposé des générateurs d'électrons fonctionnant avec une pression
ambiante basse mais facile à obtenir et à maintenir. Les études de l'équipe de COLLINS
à l'université de l'état du COLORADO ont porté sur des canons continus à cathode d'alumine
ou de carbone, qui ont permis d'obtenir des électrons de 5 keV avec un courant de
1 A. Les cathodes sont plates ou concaves et la distance cathode-anode n'est pas critique
au-delà de l'espace noir cathodique. Le rendement atteindrait 50%. Le gaz ambiant
est de l'hélium et sa pression est située entre 10 et 100 Pa environ.
[0006] Un tel générateur est notamment décrit dans un article de J.J.ROCCA, J.D. MEYER,
M.R. FARREL, G.J. COLLINS, J. APPL. Phys. 56, 790 (1984).
[0007] Il sera appelé ci-après le générateur de Collins.
[0008] D'autres canons à électrons fonctionnant dans de l'hélium à basse pression ont été
décrits dans divers articles notamment les suivants :
C.H.H. CARMICHAEL, R.K. GARNSWORTHY, L.E.S. MATHIAS, Re. Sci. Instrum. 44,701 (1973).
P.A. BOKLAN and G.V. KOLBYCHEV,
Sov. Phys. Tech. Phys. 26, 1057 (1981)
G.V. KOLBYCHEV and I.V. PLASHNIK,
Sov. Tech. Phys. Lett. 11, 458 (1985).
[0009] Ils apparaissent moins avantageux que le générateur de Collins.
[0010] Dans ce dernier générateur le ralentissement des électrons par les collisions avec
le gaz ambiant est rendu peu important par l'utilisation d'une tension d'accélération
suffisamment haute (par exemple 8 KV et plus) et associée à une pression suffisamment
basse pour qu'une fraction importante des électrons émis par la cathode acquierent,
avant de rencontrer une molécule du gaz ambiant, une énergie suffisante pour que la
section efficace de collision, soit fortement diminuée. On sait que cette section
efficace représente la probabilité de collision avec ces molécules.
[0011] De tels électrons sont connus sous l'appelation internationale "runaway electrons"
et seront appelés ci-après électrons filants. La faible probalité de leur ralentissement
par collisions leur permet d'acquerir, dans leur parcours de la cathode à l'anode,
une énergie qui est une fraction majoritaire de celle qui leur serait fournie dans
le vide par le champ accélérateur.
[0012] Malheureusement les haute tension et faible pression utilisées favorisent les décharges
entre les supports de la cathode et de l'anode, ce qui empêche l'obtention d'une décharge
diffuse stable à haute densité de courant dans l'intervalle cathode-anode. Il est
donc nécessaire de prévoir des revêtements d'isolement électrique sur les supports
de la cathode et de l'anode, ce qui complique la réalisation du générateur.
[0013] La présente invention a pour but de permettre de produire des électrons énergétiques
d'une manière plus simple et économique avec des densités de courant au moins instantanées
très élevées et un rendement de production proche de celui obtenu en vide secondaire.
[0014] Le générateur selon la présente invention présente un certain nombre de dispositions
qui sont connues en elles mêmes par le générateur de Collins. Selon ces dispositions
il comporte :
- une enceinte,
- un gaz ambiant présent dans cette enceinte sous une pression ambiante supérieure
à 5 Pascal environ pour permettre une réalisation facile dudit générateur et inférieure
à 100 Pascal environ pour permettre la production desdits électrons énergétiques,
- une anode dans cette enceinte,
- une cathode située dans cette enceinte en regard de ladite anode et comportant des
moyens d'émission pour émettre des électrons,
- des moyens de support diélectriques pour maintenir cette anode et cette cathode
en formant une longueur de contournement suffisamment grande pour éviter tout arc
de surface,
- et une source de courant électrique pour appliquer un champ accélérateur propre
à faire émettre des électrons par ladite cathode et à les accélérer en direction de
ladite anode à travers ledit gaz ambiant, le rapport dudit champ accélérateur à ladite
pression ambiante étant choisi suffisamment grand pour créer une décharge diffuse
dans laquelle les électrons émis par ladite cathode acquièrent en majorité d'abord
une énergie suffisante pour diminuer sensiblement leur section efficace de collision
avec les molécules dudit gaz ambiant de sorte qu'ils acquièrent ensuite en moyenne
plus d'énergie entre deux collisions qu'ils n'en perdent lors de chaque collision
et qu'ils deviennent alors des électrons filants possédant suffisamment d'énergie
pour constituer lesdits électrons énergétiques.
[0015] Par rapport au générateur de Collins le générateur selon la présente invention est
caractérisé par le fait que lesdits moyens d'émission présentent la forme d'une plaque
d'émission constituée de fibres de carbone entrelacées avec une orientation privilégiée
selon une direction d'émission dirigée vers ladite anode.
[0016] Plus précisément cette plaque d'émission présente deux faces principales opposées,
une longueur et une largeur selon respectivement une direction longitudinale et ladite
direction d'émission toutes deux parallèles à ces faces principales, cette plaque
présentant en outre une épaisseur selon une direction transversale perpendiculaire
à ces faces principales, ladite plaque d'émission présentant en outre une face d'émission
qui est en regard de ladite anode et qui coupe ladite direction d'émission, ladite
face d'émission ayant une longueur et une largeur constituées respectivement par lesdites
longueur et épaisseur de cette plaque, lesdites fibres de carbone étant disposées
au moins localement avec une orientation qui privilégie ladite direction d'émission
au moins par rapport à ladite direction transversale de manière que la densité superficielle
d'extrémités libres de ces fibres soit plus grande sur ladite face d'émission que
sur lesdites faces principales,
- ladite cathode comportant en outre un support de plaque d'émission en retrait par
rapport à ladite face d'émission, ce support étant au contact d'une bande de maintien
que est constituée par une partie de la largeur de ladite plaque d'émission à distance
de ladite face d'émission pour permettre de maintenir cette plaque d'émission par
l'intermédiaire de cette bande de maintien, la partie restante de la largeur de ladite
plaque d'émission jusqu'à ladite face d'émission constituant une bande exposée, ce
support étant électriquement conducteur et étant connecté à ladite source de courant
électrique pour alimenter électriquement lesdites fibres de carbone à partir de ladite
bande de maintien.
[0017] De ces dispositions adoptées selon la présente invention il résulte qu'une grande
densité superficielle des extrémités de fibres dans la face d'émission favorise l'émission
d'électrons par cette face alors qu'une petite densité de telles extrémités dans les
faces principales contribue à éviter une telle émission par ces faces dans ladite
bande exposée. Quant au support de plaque d'émission, sa position en retrait par rapport
à ladite surface d'émission, évite l'émission d'électrons à partir de la surface de
ce support. Par ailleurs la résistance électrique des fibres de carbone homogénéise
l'émission d'électrons sur la surface de ladite face d'émission.
[0018] Selon la présente invention on peut adopter en outre les dispositions parfois préférées
suivantes :
- Si on définit un rapport d'orientation de ladite plaque d'émission comme étant le
rapport des densités superficielles d'extrémités libres desdites fibres de carbone
dans ladite face d'émission et dans lesdites face principales, ce support est support
est supérieur à deux et, et préférence encore, à dix.
- Ladite plaque d'émission est constituée par un feutre de carbone cardé selon ladite
direction d'émission et modérément aiguilleté pour lui donner une cohésion tout en
ne faisant apparaître qu'un nombre modéré d'extrémités libres de fibres dans lesdites
faces principales ce nombre étant de préférence très petit.
[0019] Les fibres de ce feutre présentent un diamètre compris entre 1 et 100 micromètres,
et de préférence entre 4 et 20 micromètres, et une résistivité comprise entre 3.10³
et 4.10⁻³ Ohm x cm.
[0020] (Il est a remarquer que des plaques d'émission en feutre de carbone ont déjà été
utilisée pour constituer la face d'émission de la cathode d'un canon à électrons.
Une telle utilisation est notamment décrite dans un article de G.F. Erickson and P.N.
Mace, Rev Sci. Instrum, 54,585/1183)/ Mais il s'agissait d'un canon fonctionnant dans
le vide et non avec des électrons filants dans un gaz. Or, les matériaux convenant
pour un fonctionnement sous une pression faible (permettant la production d'électrons
filants) ne sont généralement pas les mêmes que ceux qui conviennent pour un fonctionnement
sous un vide secondaire. Plus précisément, des essais sous pression modérée avec des
matériaux souvent utilisés tels que l'acier, l'acier inoxydable, l'aluminium et le
tantale n'ont pas permis d'obtenir une décharge et des électrons énergétique alors
que sous vide secondaire ces matériaux donnent de bons résultats.
[0021] On peut par ailleurs noter que les conditions de décharge à faible pression (inférieure
à 100 Bar) ne sont pas favorables a priori pour faire un canon à électrons car dans
le cas d'une cathode classique (lame de rasoir en acier par exemple) il n'y a pas
d'émission par effet de champ entre la lame et l'anode (cas du vide seconde) mais
des arcs sur de grandes longueurs (1) (devant la distance anode cathode, par ex. 5
mm) entre le support de la cathode et l'anode ceci apparaissant notamment d'un article
de James Dillon Cobine-Gaseous conductors (Dovers Publ.Inc.N.Y.) p.164. Dans ce cas
le canon ne peut fonctionner)
- Ladite bande exposée a une largeur comprise entre 1 et 10 mm, ladite pression ambiante
étant comprise entre 10 et 50 Pa, ledit champ accélérateur étant compris entre 5.10⁵
et 20. 10⁵ V/cm, la distance de ladite face d'émission à ladite anode étant supérieure
à 2 mm.
- Ledit gaz ambiant est de l'hélium.
- Ladite anode est un bloc de métal lourd et ladite source de courant électrique est
une source d'impulsion électrique de manière à constituer un canon impulsionnel à
rayons X.
[0022] A l'aide des figures schématiques, ci-jointes, on va décrire plus particulièrement
ci-après, à titre d'exemple non limitatif, comment la présente invention peut être
mise en oeuvre dans le cadre de l'exposé qui en a été donné ci-dessus. Lorsqu'un même
élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de
référence. Le mode de mise en oeuvre donné en exemple comporte les dispositions parfois
préférées mentionnées ci-dessus. Il doit être compris que les éléments mentionnés
peuvent être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques.
La figure 1 représente une vue en coupe d'un générateur selon l'invention.
La figure 2 représente une vue à échelle agrandie d'un détail II de la figure 1.
La figure 3 représente une vue de face à échelle agrandie de la plaque d'émission
du générateur de la figure 1.
[0023] Sur la figure 1 ladite enceinte est représentée en 2. Elle est constituée de polyméthacrylate
de methyle. Ledit gaz ambiant dans cette enceinte est de l'hélium et sa dite pression
ambiante est de 20 Pa.
[0024] Ladite direction longitudinale est perpendiculaire au plan de la figure 1. Elle est
représentée en DL sur la figure 3.
[0025] Ladite anode est représentée en 4. Elle est constituée par un bloc de tantale et
elle présente une face utile 6. Cette face est inclinée à 45 degrés pour recevoir
des électrons 12 et émettre en réponse des rayons X 14 à travers une fenêtre 8 formée
par une partie amincie de la paroi de l'enceinte 2. L'épaisseur de cette fenêtre est
de 2mm.
[0026] Ladite direction d'émission DE est perpendiculaire à cette face utile et ladite direction
transversale DT lui est parallèle.
[0027] Ladite cathode est représentée en 10. Elle comporte ledit support métallique 16 et
ladite plaque d'émission 18 qui sont représentés plus en détail sur les figures 2
et 3.
[0028] L'anode 4, la fenêtre 8 et la cathode 6 s'étendent selon ladite direction longitudinale
sur une longueur de 150 mm.
[0029] L'anode 4 a, selon ladite direction transversale, une largeur de 10 mm. L'intervalle
entre elle et la cathode 10 est de 4 à 6 mm.
[0030] Ladite source de courant électrique est un générateur de Marx 20 qui applique à l'anode
4 une impulsion de 60 kV durant 20 ns avec une intensité de crête de 1,2 kA, par l'intermédiaire
d'un conducteur 22, la cathode 10 étant à la masse.
[0031] Conformément aux figures 2 et 3 la plaque d'émission 18 est maintenue dans le support
16 par l'intermédiaire de deux lames minces d'acier inoxydable telles que 26 qui sont
disposés sur les deux dites faces principales telles que 28 de la plaque d'émission
18.
[0032] Ces lames recouvrent une partie seulement de la largeur de ces faces, cette largeur
étant mesurée selon la direction d'émission DE. Cette partie constitue ladite bande
de maintien 30 au dessous d'une ligne tiretée 32 sur la figure 3, la partie 34 située
au dessus constituant ladite bande exposée. Le bord libre de cette dernière constitue
ladite face d'émission 36 en regard de l'anode 4. Cette face sera considérée ci-après
comme une face supérieure de la plaque d'émission 18. Une partie inférieure de la
largeur des deux lames telles que 26 avec la plaque d'émission 18, interposée, est
disposée dans une rainure longitudinale creusée dans le sommet du suppport 16 pour
maintenir l'ensemble constitué par la plaque d'amission 18 et ces deux lames.
[0033] Une vis 38 appuie sur l'une de ces deux lames selon ladite direction transversale
pour serrer la plaque d'émission 18 entre ces deux lames dans ladite bande de maintien.
Cette plaque 18 étant déformable prend une épaisseur diminuée dans cette bande. Dans
la bande exposée 34 son épaisseur, c'est-à-dire la largeur de la face d'émission 36,
est de 2mm, la largeur de cette bande étant de 4mm.
[0034] La plaque d'émission 18 est arrondie en 40 à ses deux extrémités longitudinales,
comme représenté sur la figure 3 pour éviter un renforcement local du champ électrique
et de l'émission d'électrons.
[0035] La plaque d'émission 18 est faite d'un feutre de carbone du type vendu par exemple
par la Société Française LE CARBONE LORRAINE sous la référence RVG 1000, par exemple
pour constituer des couches thermiquement isolantes pour des fours sous vide. Ce feutre
est obtenu par cardage de fibres de rayonne, puis aiguilletage modéré, puis carbonisation
à une température suffisamment élevée pour assurer une transformation partielle sensible
du carbone en graphite.
[0036] Les diamètres des fibres de ce feutre vont de 5 à 12 micromètres avec une majorité
aux environs de 7 à 8 micromètres. Leur résistivité est de 3,5.10⁻³ Ohm x cm. Ledit
rapport d'orientation est de 20 ou plus.
[0037] Bien entendu lesdites fibres de carbone peuvent aussi être utilisées sous la forme
d'un tissu.
[0038] Le générateur selon l'invention a fourni une intensité électronique de 300 A/cm²
et un rendement de production atteignant 80% de celui qui est obtenu dans un vide
secondaire.
1/ Générateur d'électrons énergétiques dans un gaz, ce générateur comportant
- une enceinte (2),
- un gaz ambiant présent dans cette enceinte sous une pression ambiante supérieure
à 5 Pascal environ pour permettre une réalisation facile dudit générateur et inférieure
à 100 Pascal environ pour permettre la production desdits électrons énergétiques,
- une anode (4) dans cette enceinte,
- une cathode (10) située dans cette enceinte en regard de ladite anode et comportant
des moyens d'émission pour émettre des électrons,
- des moyens de support diélectriques pour maintenir cette anode et cette cathode
en formant une longueur de contournement suffisamment grande pour éviter tout arc
de surface,
- et une source de courant électrique (20) pour appliquer un champ accélérateur propre
à faire émettre des électrons par ladite cathode et à les accélérer en direction de
ladite anode à travers ledit gaz ambiant, le rapport dudit champ accélérateur à ladite
pression ambiante étant choisi suffisamment grand pour créer une décharge diffuse
dans laquelle les électrons émis par ladite cathode acquièrent en majorité d'abord
une énergie suffisante pour diminuer sensiblement leur section efficace de collision
avec les molécules dudit gaz ambiant de sorte qu'ils acquièrent ensuite en moyenne
plus d'énergie entre deux collisions qu'ils n'en perdent lors de chaque collision
et qu'ils deviennent alors des électrons filants possédant suffisamment d'énergie
pour constituer lesdits électrons énergétiques,
- ce générateur étant caractérisé par le fait que lesdits moyens d'émission présentent
la forme d'une plaque d'émission (18) constituée de fibres de carbone entrelacées
avec une orientation privilégiée selon une direction d'émission dirigée vers ladite
anode.
2/ Générateur selon la revendication 1 caractérisé par le fait que ladite plaque d'émission
présente deux faces principales opposées (28), une longueur et une largeur selon respectivement
une direction longitudinale (DL) et ladite direction d'émission (DE) toutes deux parallèles
à ces faces principales, cette plaque présentant en outre une épaisseur selon une
direction transversale (DT) perpendiculaire à ces faces principales, ladite plaque
d'émission présentant en outre une face d'émission qui est en regard de ladite anode
et qui coupe ladite direction d'émission, ladite face d'émission ayant une longueur
et une largeur constituées respectivement par lesdites longueur et épaisseur de cette
plaque, lesdites fibres de carbone étant disposées au moins localement avec une orientation
qui privilégie ladite direction d'émission au moins par rapport à ladite direction
transversale de manière que la densité superficielle d'extrémités libres de ces fibres
soit plus grande sur ladite face d'émission (36) que sur lesdites faces principales
(28),
- ladite cathode comportant en outre un support de plaque d'émission (16) en retrait
par rapport à ladite face d'émission, ce support étant au contact d'une bande de maintien
(30) qui est constituée par une partie de la largeur de ladite plaque d'émission (18)
à distance de ladite face d'émission pour permettre de maintenir cette plaque d'émission
par l'intermédiaire de cette bande de maintien, la partie restante de la largeur de
ladite plaque d'émission jusqu'à ladite face d'émission constituant une bande exposée
(34), ce support étant électriquement conducteur et étant connecté à ladite source
de courant électrique (20) pour alimenter électriquement lesdites fibres de carbone
à partir de ladite bande de maintien (30), de manière qu'une grande densité superficielle
desdites extrémités de fibres de carbone dans ladite face d'émission favorise l'émission
d'électrons par cette face alors qu'une petite densité de telles extrémités dans desdites
faces principales de ladite plaque d'émission contribue à éviter une telle émission
par ces faces dans ladite bande exposée, de manière encore que la position dudit support
de plaque d'émission en retrait par rapport à ladite surface d'émission évite l'émission
d'électrons à partir de la surface de ce support, et de manière enfin que la résistance
électrique desdites fibres de carbone homogénéise l'émission d'électrons sur la surface
de ladite face d'émission.
3/ Générateur selon la revendication 2, dans lequel un rapport d'orientation de ladite
plaque d'émission (18) est supérieur à deux, ce rapport étant le rapport des densités
superficielles d'extrémités libres desdites fibres de carbone dans ladite face d'émission
(36) et dans lesdites faces principales (28).
4/ Générateur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ladite plaque
d'émission (18) est constituée par un feutre de carbone cardé selon ladite direction
d'émission (DE) et modérément aiguilleté pour lui donner une cohésion en ne faisant
apparaître qu'un nombre modéré d'extrémités libres desdites fibres de carbone dans
lesdites faces principales (28).
5/ Générateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdites fibres
de carbone ont un diamètre compris entre 1 et 100 micromètres.
6/ Générateur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que ladite bande exposée
(34) a une largeur comprise entre 1 et 10 mm, ladite pression ambiante étant comprise
entre 10 et 50 Pa, ledit champ accélérateur étant compris entre 5.10⁵ et 20 10⁵ V/cm,
la distance de ladite face d'émission à ladite anode (4) étant supérieure à 2 mm,
environ.
7/ Générateur selon la revendication 6, caractérisé par le fait que lesdites fibres
de carbone présentent une résistivité comprise entre 3.10⁻³ et 4.10⁻³ Ohm x cm.
8/ Générateur selon la revendication 6, dans lequel ledit gaz ambiant est de l'hélium.
9/ Générateur selon la revendication 8, dans lequel ladite anode (4) est un bloc de
métal lourd et ladite source de courant électrique (20) est une source d'impulsion
électrique de manière à constituer un canon impulsionnel à rayons X.