Un système de charge pour le VIVITRON

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Un système de charge pour le VIVITRON

J.M. Helleboid

To cite this version:

Un

_système

de

_charge

_{pour le}

VIVITRON

J. M. Helleboid

Centre de Recherches Nucléaires, BP 20 67037

_Strasbourg

_Cedex, France

(Reçu

le 15 octobre 1987,

accepté

le 17 mai

₁₉₈₈₎

Résumé. -

Un

système

de

charge

à courroie de _type Van de Graaff a été _{choisi pour le Vivitron.}

Ainsi,

classique

dans son

_principe,

il inclut néanmoins nombre de

_{particularités}

_qui

sont discutées en détail. Les

principales

caractéristiques

électrostatiques

et

_mécaniques

du

_système

sont

_{présentées,}

_{ainsi que l’état}

d’avancement du

_projet.

Abstract. - A Van de Graaff belt

charging

system has been chosen for the Vivitron.

_Although

classical in its

principle

and conservative in its

_design,

it includes different new features that will be discussed in detail. The main electrical and mechanical characteristics are also reviewed

_together

with the status of the

_project.

Classification

Physics

Abstracts 29.15B

1. Introduction.

Le Vivitron

_{[1] (Fig. 1),}

en construction au

_C.R.N.,

est un accélérateur

_{électrostatique}

_{de 35 MV pour}

lequel

un

_système

de

_charge

est en cours de

dévelop-pement

[2-4].

La

_conception

de

_principe

nous a conduit au choix

d’un

_système

à courroie de

_type

Van de Graaff

intégrant

nombre d’idées

_nouvelles,

certaines

fonda-mentales,

qui

en font un ensemble

_original

et

spécifique,

bien

_adapté

au cahier des

_charges

du

Vivitron.

Les

_principales

_{caractéristiques}

_électriques

et

mécaniques

ont été calculées en tenant

_compte

des contraintes

_imposées

_{pour les} autres

_aspects

du

projet,

de manière à obtenir les

_performances

sou-haitées.

Les études de réalisation sont en cours.

Fig.

1. - Le Vivitron : _un accélérateur

électrostatique

de 35 MV.

[The

Vivitron : a 35 MV electrostatic

_{accelerator.]}

_]

1458

2.

_Objectif.

Le

_système

de

_charge

du Vivitron doit délivrer un

courant de 500

_03BCA

_pour une haute tension

_jusqu’à

35 MV avec une stabilité

_comparable

_{(ou meilleure)}

à celle des

_grands

tandems Van de Graaff. Cette valeur d’intensité a été _{déduite par}

_{extrapolation}

d’une valeur courante de

320 03BCA

à _{18 MV pour} l’actuel tandem MP en fonctionnement au C.R.N.

3. Contraintes.

Le

_système

de

_charge

doit être

_implanté

dans un

espace transversalement

limité,

tant du

_point

de vue

géométrique qu’électrique,

entre le tube accélérateur

et les

_{électrodes-colonne,}

leurs

_supports,

et la

struc-ture isolante

_{longitudinale}

_{(Figs. 1}

et

_2).

Situé à l’intérieur de la « colonne » il doit

compor-ter un minimum de

_{parties métalliques}

_pour

respec-ter la

_{philosophie générale}

de construction du Vivi-tron, en évitant de focaliser les

lignes

de

champ

et

donc de canaliser les

_décharges

vers l’intérieur. De

fait,

et

_compte

tenu de la

_présence

du

_champ

, électrique

longitudinal

d’accélération

É =

18

_kV/cm,

les

_{fixations, supports}

ou

_guidages

éven-tuels doivent se situer dans les sections mortes, soit sur environ 220 mm au

_plus

tous les

_2,82

m

(Fig. 1).

Les distances le

_long

de

l’axe,

depuis

l’électrode isolée

_jusqu’à

la masse, sont d’environ 25 m.

L’ensemble est sous

_atmosphère

d’hexafluorure de soufre

_(SF6)

à une

_pression

nominale de 8 bars

absolus

_(valeur

maximale 12

_bars).

4. Choix.

Bien _{que de} nombreux

_principes

de

_charge

_existent,

ou

puissent

être

_imaginés,

il a été

_jugé

raisonnable

Fig.

2. -

Section droite de la colonne du Vivitron montrant la

_position

de la courroie dans deux sections mortes

successives : A

_(gauche)

et B

_(droite).

de s’en tenir aux

_systèmes

_classiques

_{pour de}

_grands

accélérateurs tandem. Des

_systèmes

à chaîne

_(de

type

pelletron

ou

_laddertron)

ou à

courroie,

le

dernier

_type

a été retenu _pour diverses raisons

_parmi

lesquelles :

- la

_grande

_expérience

_acquise

avec le

_système

à courroie de l’accélérateur MP du C.R.N. et son bon

fonctionnement pour une intensité nominale de 320

f.LA

à haute tension maximale de 18

_{MV ;}

- la

_{possibilité d’intégrer}

dans la

_conception

d’un tel

_système

de nouvelles

_{caractéristiques,}

issues d’idées

_originales

_{[2, 3], qui}

nous semblent devoir

apporter

une amélioration des

_performances

actuel-les

_(contrainte

_électrique

moindre,

niveau de

_charges

parasites diminué...)

et donc de la

fiabilité ;

- la modeste intensité

requise

pour le Vivitron : I = 500

03BCA,

comparée

_avec les 700

>A

(2

_x

350)

qui

peuvent

être

obtenus

sur le tandem MP à

15 MV ;

- la récente

_{disponibilité,}

_auprès

d’une firme

suédoise,

d’un nouveau

_type

de

_courroie,

à

_prix

raisonnable _{pour de}

_grandes

dimensions,

et

_déjà

expérimentée

sur

_plusieurs

accélérateurs

_[5-7].

5.

Conception

de

principe.

,

Dans tous les

_systèmes

de

_charge

actuels l’intensité maximale est

_toujours

très inférieure à la valeur limite

_qui

_peut

être

_calculée,

à

_partir

des lois de

l’électrostatique,

pour un

_système

idéal. Par

_rapport

à ce dernier de nombreux facteurs de limitation interviennent en effet. Ils diminuent aussi la fiabilité

pour des

performances

données.

La

_conception

du

_système

de

_charge

_{pour le} Vivitron propose des solutions

originales qui

tendent à réduire ces limitations tout en

_augmentant

la fiabilité.

.

5.1 COURROIE PASSANTE. - Plutôt

qu’un système

de

_{charge n’occupant,}

comme dans les tandems

actuels,

qu’un

seul côté de la

machine,

entre masse

et électrode

isolée,

il a été décidé d’utiliser une

courroie

_passante,

c’est-à-dire tendue d’une extré-mité à l’autre de la

machine,

étendant ainsi au

système

de

_charge

la

_symétrie

tandem de la colonne

et du tube accélérateur

_{(Fig. 3).}

La

_courroie,

de

~ 100 _m de

longueur

et 520 _mm de

largeur,

peut

alors être

_{électriquement}

divisée en

_quatre

_portions

actives, transportant

successivement et

alternative-ment une densité de

_charge

_égale

et

_opposée

entre la masse et l’électrode

_isolée,

soit le double des

systè-mes existants.

Pour un même courant total

_transporté

la densité de

_charge

sur la courroie est _{alors divisée par} deux

comme l’est la contrainte

_électrique

transversale

_qui

en résulte.

De

_plus,

la tension de courroie à

_partir

des extrémités de la cuve, évite

l’application

d’une

contrainte

_{mécanique longitudinale}

sur la colonne. 5.2 STRUCTURE DÉCOUPLÉE. - Les brins de

cour-roie en

_{regard, séparés}

_par une distance d

(Fig. 4),

portent

des

_{charges égales}

et

_opposées.

En l’absence de tout conducteur

interne,

placé

entre les

_brins,

et

pour un

_{système supposé plan}

et infini où les conducteurs

_extérieurs,

entourant la

_courroie,

seraient distants de

_D,

le

_{champ électrique}

à l’exté-rieur des brins

_Eext

_{= U 1 EO}

x

_d/D

est limité _par

d/D.

Pour une densité de

_{charge cr}

donnée,

il est

d’autant

_plus

faible _{que d}

D,

soit,

à encombrement

constant

_{(D donné),}

_que les brins sont

_{plus proches.}

C’est l’effet de

_{découplage ;}

le

_système

de

_charge

et

le reste de l’accélérateur fonctionnent

quasi-indé-pendamment,

ce

_qui

_permet

_d’adapter

la

_géométrie

des conducteurs extérieurs aux nécessités de la tenue

électrique

longitudinale,

presque sans tenir

_compte

de la

_présence

du

_système

de

_charge.

La

_comparaison

peut

être faite entre

la’

_figure

5

_{qui représente}

la situation dans le MP et la

_figure

6 _pour une structure

identique

mais où les brins sont

_rapprochés.

Dans ce dernier cas, la distorsion du

champ,

résultant de la

discontinuité des conducteurs extérieurs

_(barres

de

gradient

dans cet

_exemple),

n’est

_plus

une cause de limitation comme _{pour le} cas

_précédent.

Il semble

_qu’il

soit alors

_possible

de

_supprimer

Fig.

3. - Courroie

passante

(symétrie tandem)

présentant

4

_{portions chargées}

successivement en + et en - défilant

respectivement

de la masse vers l’électrode isolée et inversement.

1460

Fig.

4. -

Principe

de la structure

_{découplée :}

le

_champ

externe

_El

=

E2

_est d’autant

plus

faible

que d

D.

[Principle

of the

_decoupled

structure : Two

_facing

belt

_portions,

_equally

but

_oppositely

_charged,

induce

_{quasi-uniform}

fields. The farer the

_nearby

conductors

_{(D )}

_compared

with belt

_portions

distance

_(d),

the

_higher

the internal field

E3

max

value

= 2013 ),

the lower the external field

_El

=

E2.]

Fig.

5. - Distribution du

potentiel

et du

_champ

_électrique

_pour une structure semi-ouverte ;

exemple

du MP.

Fig.

6. - Distribution du

potentiel

et du

_{champ électrique}

_pour une structure

_découplée

_{de même encombrement que}

pour le MP

(Fig. 5).

[Potential

and field lines for a

_decoupled

structure _arrangement with the same overall dimensions that for the MP.

Nearby

conductors

_{(not drawn)}

are located

_horizontally

_{in the upper and lower parts} of the

_figure.]

également

les barres de

_gradient

externes,

renforçant

encore l’effet de

_découplage,

en

_augmentant

la

distance

_D,

et évitant la

_présence

de

_pièces

conduc-trices à l’intérieur de la colonne.

5.3 DÉPÔT CONTRÔLÉ ET ÉQUILIBRE DES CHARGES.

Comme

à l’ordinaire c’est la face externe de la courroie

_qui

_porte

les

charges.

En structure

décou-plée,

la limitation est directement

_liée,

non

seule-ment à la valeur des densités de

_charge,

mais à leur

assymétrie.

Aussi un

_{système particulier}

de commu-tation a-t-il été conçu

(Fig. 7) qui

limite le nombre d’ioniseurs et

_{particulièrement}

de « collecteurs » dont l’efficacité est mal contrôlée. Ainsi trois des

quatre

commutations

_{(+ 03C3 ~ - 03C3}

et

_inversement)

sont assurés chacune _par un seul ioniseur

_jouant

un

double rôle de collection

_{(+: u -. 0)}

et de

_charge

(ou

± cr

_),

un _peu comme dans les machines

_Felici,

mais

_régulé

en courant _pour contrôler le transfert de

charge.

La dernière commutation est

_assurée,

comme

_usuellement,

_par un éliminateur

(ioniseur

à la masse, ::!: U -. 0 ±

_Ao-)

suivi d’un ioniseur de

charge

(0 -. +: u)

régulé

en courant.

5.4 VITESSE RÉDUITE. - Grâce

aux

_dispositions

précédemment

décrites la vitesse de la courroie

_peut

être réduite tout en conservant une contrainte

élec-trique plus

faible que dans les

systèmes classiques

(Fig. 8).

Cela diminue notablement la

_puissance

1462

Fig.

7. -

Système

de commutation des

charges

pour le Vivitron.

[Charge

commutation _system for the Vivitron for a total current

_1.]

Fig.

8. -

Densité de

_{charge 03C3}

en _{fonction de la vitesse de défilement pour} un courant total

transporté

I = 500 ....A - _cas du MP et du Vivitron.

[Charge density

or versus belt

_speed

for 1=

_{500 03BCA}

for the cases of the MP and of the

Vivitron.]

production

de

_{charges parasites d’origine}

triboélec-trique.

5.5 SUPPORTS. - Des rouleaux

peuvent

être

utili-sés,

mais la _{sustentation par coussin de gaz}

_SF6

est

envisagée

pour réduire les frottements et éviter les

problèmes

de roulements

_{(Fig. 9).}

5.6 TYPE DE COURROIE. - Un nouveau

_type

de courroie

_{(Fig. 10),}

_{déjà partiellement expérimenté}

dans des accélérateurs

_[5-7]

et

_probablement

satisfai-sant dans les conditions

Vivitron,

est actuellement

sur le

marché,

palliant

la

_{quasi impossibilité}

d’obte-nir une courroie

_classique

de 100 m dont le

_prix

serait de

_plus

_prohibitif.

6.

Principales caractéristiques.

Le tandem MP fonctionnant aisément avec une

densité de

_chargez

de 3

_nC/cm2,

la vitesse de la courroie du Vivitron a été fixée à 10 m/s

_(24,5

m/s dans le

_MP)

_pour

_{laquelle a}

n’est _que de

2,6

nC/cm2 pour 1= 500

>A

(Fig. 9).

Les commutations seront assurées au début par

des

_{peignes classiques}

mais

_plus

fins

_{(0 -}

0,1

mm,

120

_mesh).

La

_puissance

nominale est de 25

_kW,

incluant V x 1=

17,5

kW à 35 MV et 500

_liA

₍₆

kW _{pour le} MP à 18

_MV)

et la friction sur _{le gaz - 3 kW}

₍₁₄

kW pour le

MP).

Fig.

9. -

Prototype

d’un _support à _{coussin de gaz pour la courroie du Vivitron.}

[Prototype

of a gas blower support for the

_belt.]

Tekniska Data

Refererande till

dagens

telefonsamtal ôversânder vi tekniska data fôr

_{transportband}

_typ WE 16/2 0+10 Nitril och WTO 25.

Fig.

10. -

Caractéristiques

du nouveau _{type de courroie de provenance suédoise.}

[Physical

and mechanical characteristics of

_possible

new

_charging

belt from a Swedish

firm.]

est _{entraînée à la fois par les deux tambours}

d’extré-mité de

₀

315 mm

_couplé

chacun à un moteur de 37

_{kW, partageant}

ainsi la

_charge

de manière à éviter des variations

_importantes

de la tension

méca-nique

locale en

régime

_{dynamique (Fig. 11).}

REVUE DE PHYSIQUE APPLIQUÉE. - T. 23, N° 9, SEPTEMBRE 1988

Sa

_trajectoire

est

_imposée,

une section morte sur

deux,

soit tous les

_{5,64 m,}

_par un minimum de

11

_paires

de

_supports

_(rouleaux

ou

_patins

à

_gaz)

positionnés

en fonction des flèches

statiques

et

dynamiques

sous l’effet du

_poids

_propre et des forces

1464

Fig.

11. -

Disposition schématique

de la courroie pour le Vivitron. La tension

mécanique

est

_indiquée

en fonction de la tension moyenne T au terminal et de la

_puissance

consommée. P est le terme de frottement

_global

_(mécanique

+

_{électrique), Pu}

est la

_puissance

_{électrique disponible}

au terminal.

[Belt

arrangement for the Vivitron. Mechanical belt tension is indicated at different locations as a function of consumed

power. P is the electrical and mechanical friction power,

Puis

the

_possible

set _{up power in the terminal electrode where}

the tension has its mean value

_T.]

_]

électriques.

Cette

_disposition

a été

_choisie,

en

fonc-tion des

_{caractéristiques}

de la

_courroie,

de manière à assurer un

_découplage

_{d/D ~}

_0,25

tout en

_gardant

un fonctionnement correct avec un minimum de

supports,

quelle

que soit la

charge.

La _{tension par brin} au _repos est de 520 daN

₍₁

%

d’allongement)

avec

_{laquelle plus}

de _{40 kW} pour-raient être transmis.

7. Stade actuel.

- La

conception

de

_principe

est achevée et les

principales caractéristiques

électrostatiques

et

méca-niques

déterminées.

- Un

prototype

de

_patin

_{à gaz} a été

_développé

en

collaboration avec l’industrie et est

_prêt

_{pour des}

essais.

- Un banc d’essai à l’échelle

1,

de 27 m de

longueur

(Fig. 12),

en court-circuit et à

_l’air,

a été construit et installé dans le but d’étudier le

comporte-ment du

_système

et

_{particulièrement}

l’entraînement

partagé

par deux moteurs, le fonctionnement

dyna-mique (battements, vibrations),

la tenue des

rou-leaux,

le

_support

par coussin de gaz, la

génération

de

puissance électrique

au niveau des sections mortes, ainsi que la

partie électrostatique,

bien

_qu’à

l’air et

sans haute tension.

- Les études de réalisation sont

en cours.

L’ensemble

_pourrait

être

_prêt

fin 1988.

Fig., 12.

- Banc d’essai à l’échelle 1 d’une

portion

du

_système

de

_charge

_comportant 4 sections courantes sur 8 au total. Ce banc est à l’air et en court-circuit.

[30

m, one-to-one,

_charging

system test

_bench.]

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