HAL Id: jpa-00212759
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Accélérateur d’électrons utilisé jusqu’à 1 MeV comme
source d’électrons et de rayons X pour études
physicochimiques
Y. Cauchois, H. Bruck, P. Ehinger, A. Gazaï, M. Boivin
To cite this version:
110
ACCÉLÉRATEUR
D’ÉLECTRONSUTILISÉ
JUSQU’A 1 MeVCOMME SOURCE
D’ÉLECTRONS
ET DE RAYONS X POURÉTUDES PHYSICOCHIMIQUES
Par Y.CAUCHOIS,
H. BRUCK(*),
P.EHINGER,
A.GAZAÏ
et M.BOIVIN,
Laboratoire de Chimie Physique, Faculté des Sciences, Paris.
Résumé. 2014 Nous donnons la
description et les caractéristiques essentielles d’un montage réalisé
au Laboratoire de Chimie Physique de la Faculté des Sciences de Paris, pour la production de
faisceaux X intenses et de faisceaux d’électrons libres utilisables pour des recherches sur les actions
physiques et chimiques des rayonnements. Il utilise un générateur de haute tension du type
cas-cade prévu pour 1,4 MV et un tube dans l’air à 14 étages d’accélération en liaison avec le
géné-rateur par l’intermédiaire d’un potentiomètre répartiteur. Il fonctionne en régime depuis deux ans
et fournit des débits de doses X de l’ordre de 30 000 r/min par mA à 7,5 cm de la cible pour 1 MV;
le régime continu peut être porté à 3 kW. Les doses fournies par le faisceau électronique libre n’ont pu encore être mesurées, mais sont extrêmement élevées.
Abstract. 2014 The
paper describes an equipment built in the " Laboratoire de Chimie Physique
de la Faculté des Sciences de Paris ", for obtaining intense beams of X-rays and free electrons for research on chemical and physical effects of radiation. The equipment makes use of a high ten-sion cascade generator built for 1.4 MV and a 14 stage accelerating tube working in air coupled to
the generator by means of a distributing potentiometer. It has been used for routine work during
the last 2 years and delivers an X-ray dose of the order of 30 000 r/min per mA at a distance
of c. a. 7.5 cm from the target at 1 MV ; it may be run at a 3 kW permanent load. The electron dose is not yet
precisely
known but is very high.PHYSIQUE AU N° 12.
PHYSIQUE APPLIQUÉE TOME 20, DéCEMBRE 1959,
Introduction. -- Notre laboratoire
disposait
d’un
générateur
de haute tension dutype
«cas-cade »
susceptible
de fournir enprincipe
et au maximum1,4
~1V. Cegénérateur
avait étécom-mandé à la Société
Philips
en 1938 par le C. N. R. S.pour le Professeur Jean
Perrin,
en mêmetemps
qu’un
montage
pour 600 kV destiné à un tubeaccé-lérateur d’ions.
Après
avoir subi les vicissitudes dues à la déclaration de la guerre et àl’exode,
tout cematériel avait pu être
récupéré
et mis enplace
dans des locaux construits en surélévation sur le
toit du laboratoire. En
fait,
legénérateur
1,4
MVne
peut
dépasser
à vide1,2
MV dans la salle de 9 x 9 x 9 mètres où il estdisposé,
avecpôle
négatif
isolé. La SociétéPhilips
n’avait pu fournir de tube d’utilisation. Avec les moyens très limités del’après-guerre,
nous avions monté un tube à rayons Xcomprenant
deuxétages
accélérateurs dont le fonctionnement était satisfaisant pourcer-tains
objectifs jusqu’à
environ 500 kV. Afin d’étendre le domaine de travail dans les limitescompatibles
avec lescaractéristiques
dugéné-rateur et de sa
localisation,
nous avions décidé deréaliser un nouveau
tube,
destiné surtout à des études dephysique
du solide et de chimie sousrayonnement.
Parcequ’il
n’existait pasd’appareil
commercial,
ce tube et ses annexes ont étécons-truits au laboratoire. Pour l’établissement du
projet,
nous avons bénéficié del’expérience acquise
par l’un de nouslorsqu’il
a réalisé le tubeaccélé-rateur d’ions du
générateur
van de Graff de 5 MV du Centred’Études
Nucléaires deSaclay [1].
La
figure
1 donne unereprésentation
deprincipe
du
montage
qui
fonctionnerégulièrement depuis
octobre1957,
date àlaquelle
legénérateur
a puêtre rénové par la mise en
place
de redresseurs au sélénium. L’accélérateur fournit des faisceaux de rayons X horizontaux ouverticaux,
sous despuis-sances
pouvant
atteindre enrégime
3 kW et desfaisceaux d’électrons libres
verticaux ;
lesrégimes
de fonctionnement sont actuellement variables d’une manière continue entre0,1
et 1 MV. Nousnous proposons de travailler à des tensions
plus
élevées dans le nouveau laboratoire en construction
à
Orsay,
où les normes de sécuritécorrespondantes
pourront
être observées. Voici ladescription
som-maire de l’ensemble du tube et de ses
accessoires,
visibles sur les différentes
planches.
Certainsaspects
de cette réalisation ont fait ou boiventfaire
l’objet d’exposés
ou depublications séparés.
Les
descriptions d’origine
des éléments dumontage
sont
présentées
en annexe en fin d’article.Générateur. - Il semble
superflu
de redonner ici ladescription
dugénérateur,
elle est initia-lement conforme auxprincipes
etdescriptions
donnés dans la référence
[2].
Toutefois,
l’extrêmefragilité
des soupapes etl’impossibilité
de lesrem-placer
ontbeaucoup gêné
et ralentil’expérimen-tation
qui
s’est trouvée finalement tout à fait arrêtée. Nous avionsentre-temps
décidé lerempla-cement des soupapes à gaz d’un modèle
périmé,
(*)
Centre d’Études Nucléaires de Saclay.Fie. 1. -
Coupe d’ensemble. Tube à rayons X de 1 MeV.
1. Moteur à air comprimé.- 2. Vanne.- 3. Alimentation Wehnelt. - 4. Alternateur. - 5. Discriminateur de
ten-sion. - 6. Canon à électron. - 7.
Carénage H. T., tôle d’acier de 1 mm d’épaisseur, contenant l’appareillage
électrique. - 8. Tube
accélérateur. - 9. Colonne de
soutien en bakélite. - 10. Résistance de mesure de
1 500 Mn. - 11. Canalisation et groupe de pompage
(en pointillé, en arrière du tube). - 12.
Vers pompe à
huile (refroidissement). -13. Miroir. -14. Appareils de
mesures. - 15. Régulation courant tube. -16. Réglage
tension d’extraction. - ~ 7. Réglage chauffage filament.
- 18.
Répartiteur de tension. - 19. Barres de
com-mandes isolantes en plexiglas. - 20. Air
comprimé, tube isolant en afcodur. - 21. Plateau isolant en
baké-lite pour guidage des commandes. - 22. Objectif
péris-cope. - 23. Colonne de soutien en bakélite. - 24. Tube
périscope (Dural), vision sur pupitre. - 25.
Tiges d’acier 0 10 mm, vers pupitre.
PHOTO 1,
devenues
irremplaçables,
par des redresseurs au sélénium. Ceux-ci neprésentent
pas lafragilité
des tubes à gaz, ni leursexigences
quant
à unetempé-
#
redres-seurs
permettent
un courant total dans legéné-rateur de 5 mA.
La modification du
générateur
et la mise enplace
des nouvelles soupapes ont été effectuées enseptembre-octobre
1957.Depuis lors,
lemontage
adonné toute satisfaction.
Description
du tube. -Le corps du tube est
constitué par
quatorze
étages
d’accélération et unquinzième étage
constituantl’espace cathodique
defocalisation,
coiffé par lapartie cathodique
pro-prement
dite, qui
forme un seizième et dernierétage
au sommet du tubeporté
à la haute tensionnégative.
Lesquinze premiers
étages
sontiden-tiques (fig, 1).
Ilscomportent
chacun uncylindre
de
porcelaine
dont laparoi
extérieure est ondulée etvernie,
tandis que laparoi
intérieure est laissée brute de cuisson etlégèrement
rugueuse. Lahau-teur en est d’environ 22 cm, le diamètre intérieur environ 28 cm,
l’épaisseur
2 à 3 cm. La hauteur dechacun des isblateurs en
porcelaine
a étéchoisie
en vue de son
emploi
pour une tension âu moinségale
au double de la tension réelle de fonc-tionnementimposée
par la source actuelle de haute tension.Quant
audiamètre,
il a été choisi assezgrand
pour êtrecompatible
avec la hauteur totale dumontage
et pour yloger
leslarges électrodes,
tout en
permettant
une bonne conductance pourl’établissement et le maintien du vide. Les faces terminales de ces
pièces
deporcelaine
ne sont pas nonplus vernies,
mais elles sont dressées etpolies.
Chaque
faceplane
a subi avantmontage
unemétal-lisation par
évaporation
thermique
d’aluminium sousvide, après
unnettoyage
trèssoigné
pour quele
dépôt,
d’environ 1 ou2 pL
d’épaisseur,
soit bien adhérent. Afin depouvoir
réaliserl’assemblage
sansavoir à recourir à des
scellements,
chaque
extré-mité deporcelaine
estspécialement profilée (fig. 2)
pour offrir une gorge convenable au
joint torique
d’étanchéité que
compriment
entreautres,
les faces desplateaux
et les gorgesprofilées
des anneauxmétalliques qui
sont décritsplus
loin. Ce moded’assemblage
trèséconomique,
s’est montrépar-faitement
robuste,
étanche etprécis.
Les électrodes ont été conçues et
disposées
en vued’assurer le
blindage électrique
desparois
isolanteset de réaliser un
gradient
depotentiel
assez uni-forme pour que lechamp
accélérateurpuisse
être considéré en moyenne comme à peuprès
constantle
long
du tube. Un contrôle aposteriori,
exposé
ci-dessous,
a montré que les formes etdispositions
choisies réalisent effectivement cette condition avec des ondulations de l’ordre de -I-- 3
%.
Les électrodes sont
larges,
cequi
facilite le pom-page et évite les bombardements par lesparticules
qui
voyagent
dans le tube. Elles sont réalisées entôles d’acier
inoxydable
par repoussages et recuitsrépétés.
Elles sontsoigneusement
polies.
Leur miseen
place
est obtenue d’unefaçon
trèssimple
àl’aide de
plateaux
en tôle d’aluminium mince enforme de couronnes
circulaires,
serrés entre les iso-lateurs successifs : les électrodesreposent
simple-FIG. 2. - Coupe
longitudinale
du tube accélérateur.1. Couronne de serrage. - 2. Porcelaine. - 3. Plateau Al.
4. Électrode Inox 18/8. - 5. Joint.
ment sur les
plateaux
qui
en assurentautoma-tiquement
lecentrage.
Desperforations
de cesplateaux
aident à l’évacuation.L’assemblage
mécanique
des éléments successifs du tube s’efiectue par des anneauxmétalliques
constitués par des couronnes enalliage
d’alumi-nium,
soigneusement polies.
Nous avons choisi unalliage léger
en tenantcompte
à la fois de sespro-priétés mécaniques
et de sa résistance à lacorro-sion,
celle-cipouvant
êtreimportante
dansl’atmo-sphère
oùbaigne
lemontage
en fonctionnement.La
première
électrodesupérieure
est coiffée d’unlarge diaphragme
destiné à accroître lechamp
d’extraction. Il est formé par undisque
d’acierhaut
fig. 1),
poi-te la têtetathodique,
actuel-lenlent réalisée comme le montre lafigure
3. Lasource d’électrons est
suspenduP
à unplateau
PHOTO 2.
Fie. 3. - Canon à électrons.
Coupe.
1. Arrivée du courant. - 2. Prise de courant en
bakélite.-3. Passage araldite. - 4. Plateau central et
pièce
annu-laire, acier. - 5. Couronne de serrage. - 6. Plateaux Al. - 7. Porcelaine. - 8. Joint. - 9. Pièce de
garde.
-10. Wehnelt. - 11.
(Prolonger le trait indicateur de
3 mm.) Filament. - 12.
Diaphragme et électrode d’ex-traction.
centrai fixé sur une
pièce
annulaireplus large
qui
estposée
sur laporcelaine
(no
7).
Cettesource
comportait
àl’origine
un enroulementémissif
plat
formé par un ruban de tantaledisposé
en
zigzag
surchamp,
afin de constituer une surfaceémissive
pseudo-plane
ethomogène.
Nousem-ployons
actuellement desarrangements
assezana-FIG. 4a. - Ensemble filament-Wehnelt.
Coupe.
1. Stéatite. - 2. Wehnelt, matière Inox. - 3.
Filament.
FIG. 4b. - Filament de
tungstène vu de face (o 0,3 mm).
logues,
faits de fil detungstène qui
se sont montrésplus
robustes et de vieplus longue,
sansmodi-fier notablement les
caractéristiques
de la tache focale. Pour aider à la concentration dufaisceau,
leplan
de la surface émissive estlogé
au sein d’uneélectrode de Wehnelt en forme de calotte
sphérique
concave ; il est à peuprès tangent
à la surface extérieure( fig.
4).
La dernière
porcelaine,
laplus
basse(voir fig. 1),
repose sur la « boîte de raccordement »(décrite
plateau
d’environ 2 X 0,75 m,porté
sur unsupport
à
quatre
pieds
en cornières et fers enL,
situé à unmètre
cinquante
du sol. La dernièreélectrode,
la boîte de raccordement et toutes lespièces
ou bâtisPHOTO 3.
placés
à un niveauinférieur,
sont reliés directement ou indirectement à la terre5).
La hauteur de la cible au-dessus du sol et sa
localisation au sein de son
grand
support,
nous ontété
imposées
par la nécessité d’utilisertempo-rairement des
dispositifs
existant dans la salleoù il nous faut travailler. Ils sont peu commodes
pour les
manipulations
sous cible et pour la mise enplace
desblindages
contre lesrayonnements.
D’autresarrangements
sontprévus
dans le localen construction.
La « boîte de raccordement » est un bloc d’acier
dont la
partie
haute est uncylindre,
lapartie
basseun bloc à section carrée de 34 cm de
côté ;
la hauteur totale est d’environ 55 cm. Ce bloc est foré intérieurement d’uncylindre
vertical de même dia-mètre que les isolateurs deporcelaine
et,
dans sapartie
basse,
de deuxcylindres
horizontaux croisés. Trois des voies horizontales de cette boîte deraccor-dement,
ainsi obtenues àpartir
de la canalisationcentrale, portent
delarges
flasques
verticales de fermeture où seplacent
à volonté des instrumentsde mesure ou d’observation. La
quatrième
voieconstitue le canal de pompage.
Le pompage est assuré par un groupe
comportant
une pompe rotative et une pompe à diffusiond’une vitesse de 1 000 litres avant « bame ». Il a été
prévu
unpiège
à airliquide
entre pompe et boîte deraccordement,
mais sonemploi
n~a pas éténéces-saire
après
lespremiers dégazages.
Ledispositif
de pompage estcomplété
par lesjeux
de vannes,jauges
et organes de sécuritéindispensables.
Lapression
defonctionnement,
suivie en routine àFIG. 5.
l’aide d’une
jauge Penning
est inférieure à 10-5 mmHg,
ainsi que l’ont confirmé descon-trôles effectués avec une
jauge
à ionisation en verreplus
précise.
Nous décrirons maintenant la
partie anodique
dumontage.
L’élaboration du tube se termine vers le bas par un corpscylindrique refroidi,
muni d’unefenêtre latérale et fermée par une
pièce
horizontale.Il
peut porter
une anticathode verticale dont lasurface émissive faiblement inclinée par
rapport
auplan
horizontalpassant
par le milieu de lafenêtre,
fournit un faisceau X horizontal. Ilpeut
aussiporter,
alternativement,
une cible terminalehori-zontale. Cette cible
peut
être relativementépaisse
et
comporter
un métal émissiflourd,
afin deun faisceau X vertical
intense,
utilisable sous letube. Elle
peut
aussiprésenter
unepartie
centralemince en métal
léger
constituant une fenêtretrans-parente
aux électronslorsque
l’on veutdisposer
d’un faisceau d’électrons
libres,
extérieur autube,
soit dans
l’atmosphère,
soit dans tout autre espace d’utilisation distinct del’espace
deproduction.
Les
pièces anodiques
du tube : corps,anti-FIG. 6. -
Coupe
longitudinale
de la pièce terminale dutube.
Anticathode transparente avec support.
1. Acier. - 2.
Chambre de refroidissement par eau. -3. Boîtier en dural. - 4. Refroidissement
par eau. --5. Joints. - 6. Soudure. - 7. Fenêtre Al,
épaisseur 1/10 mm. - 8. Joint. - 9. Anticathode Au
avec
support en cuivre rouge de 2 mm d’épaisseur.
N. B. - La fenêtre latérale sert à la sortie du
rayon-nement lorsque la cible C est remplacée par une anti-cathode verticale dont la surface émissive se centre au
point d’intersection de l’axe longitudinal de la pièce et de
l’axe transversal de la fenêtre d’Al, 7.
cathodes,
et fenêtrestransparentes
actuellement enusage sont
représentées
sur lesfigures 6,
7 et 8. Le choix descaractéristiques
de cespièces
tientcompte
des butsassignés
àl’emploi
de l’accélé-rateur(entre
autres,
des études de chimie sousrayonnements)
et résultent del’expérience acquise
au laboratoire pour de tels
problèmes.
Nous revien-drons sur cesquestions
dans l’articlerapportant
FIG. 7. -
Coupe longitudinale de la pièce terminale du
tube. Anticathode classique.
-1. Acier. - 2. Pastille de
tungstène,. - 3. Chambre de
refroidissement par eau. - 4.
Joint. - 5. Anticathode
(cuivre rouge). - 6.
Système de refroidissement par eau
(laiton) de l’anticathode. - 7. Fenêtre Al
(épais-seur 1/10 de mm). - 8. Joint.
la dosimétrie effectuée sur le
rayonnement
X émis.On verra
plus
loinqu’un blindage
interne a été introduit dans lapartie
basse du tube. D’autres cibles conformes à divers modèles existent ou sont en cours de réalisation à des fins variées. Despièces
auxiliaires ont été
prévues
et étudiées pour modifier à volonté lescaractéristiques
du faisceaufrappant
la cible. Ce sont entre autres : une lentille auxi-liairequadripolaire,
undispositif
debalayage
à unedirection,
undispositif
debalayage
à deuxFm. 8. -
Coupe longitudinale de la pièce terminale du
tube.
Anticathode sans support ou fenêtre Al transparente
aux électrons.
1. Acier. - 2. Chambre de refroidissement
par eau.
-3. Joints. - 4. Fenêtre Al. - 5 Soudure. - 6. Fenêtre
Al,
épaisseur 1/10 mm. - 7. Joint. - 8. Cuivre
rouge.
-9. Bague de serrage laiton.
transfert du
montage
dans un nouveau local àOrsay,
nous a amenés àenvisager
une autre mise enplace
dutube,
excluant l’estradesupport
etqui
entraînera diverses modifications sous la base de la boîte de raccordement. En
attendant,
lemontage
est utilisé sous sa forme actuelle pour des pro-grammes d’irradiations en cours, mentionnés par ailleurs.
Élaboration
du tube. - Toutes ’lespièces
deporcelaine
ont été contrôléesindividuellement,
avant le
montage,
pour leur étanchéité au vide etleur tenue de tension.
Toutefois,
l’ensemble denotre commande
ayant
faitl’objet
de fournitures successives depièces
nonidentiques
auprototype,
l’élaboration totale en fut fortement retardée. En
attendant la
réception
dejeux
utilisables de cesisolateurs,
nous avons étudié sur un montageauxi-liaire les
caractéristiques
de la cathode et despremiers
étages
d’accélération. Nous nous sommesassurés des gammes
respectives
de tensions néces-saires pour les électrodesd’extraction,
d’accélé-ration ou deWehnelt,
descaractéristiques
de lacathode,
de lapuissance
àprévoir
pour les alimen-tations isolées de lapartie
haute tension dutube,
etc.... Unpremier
contrôle de la forme du faisceau avait pu alors être fait sous tensiond’accé-lération
réduite,
grâce
à son cheminement dans unespace d’observation en verre, convenablement
protégé,
où ilpouvait
être rendu visible à volonté par uneatmosphère
résiduelleraréfiée,
tandis queles
parois
fluorescentes mettaient en évidence lesrégions d’impact
etpermettaient
de suivre la foca-lisation.L’élaboration définitive a été faite élément
par
élément,
le vide étant àchaque
foiscontrôlé,
le fonctionnement étudié par tranches successives du tube relié à des sectionsplus
ou moinsimpor-tantes du
générateur
de haute tension. Pour les élaborationsréduites,
la cathode était alimentée par accumulateurs. Les autres sources de courant et de tensionprovenaient
demontages
provisoires.
Après
avoir examiné différentes solutionspos-sibles,
nous avons décidé d’assurer la distribution de tension lelong
du tube à l’aide d’unpoten-tiomètre
qui
fut construit au laboratoire etdisposé
parallèlement
au tube. Sescaractéristiques
sontindiquées
par lesfigures 9
et 10.Chaque
étage
normal dupotentiomètre
com-prend
deuxéléments ;
la résistance de chacund’eux est d’environ 82
MO ;
elle est constituée de nombreuses résistances « miniatures »logées
dansdes
tiges
de bakélite creuses. Tous les éléments sontdisposés
enzigzag
entre deux colonnes verticalesconstituées par des isolateurs de bakélite ondulée assemblés par des
bagues
d’acier et des couronnes de duralpolies.
L’ensemble est relativementléger,
bien
rigide
et stable.La tension amenée sur
l’étage
cathodique,
estprélevée
sur cepotentiomètre
répartiteur
à traversun
potentiomètre réglable.
Des contacts sont assurés par connexions
élas-tiques
entre lesétages
successifs durépartiteur
etles
étages
correspondants
du tube(fig. 1,
9 et10).
Pour réaliser une meilleure stabilité des résistances
potentiométriques,
lerépartiteur
peut
être refroidi par un courant d’air circulant dans les tubes debakélite où sont
logées
les résistances. Lepoten-tiomètre
réglable
estplacé
dans une cuve d’huile etpeut
êtreréglé
àdistance,
depuis
la salle de commande.Si nous
comptons
les 15 électrodes àpartir
duhaut
(la
seizième étant à laterre)
et si nousappe-lons V la tension totale
appliquée
autube,
lesten-sions successives sont
imposées
parles
potentio-FIG. 9. - Schéma du répartiteur de tension vu de face. 1. Tube de liaison
- 2. Élément de résistance
(composé
de 100 résistances de 820 kS~ sous tube bakélite, refroidies par air comprimé). - 3. Élément bakélite massive et ner-vurée. - 4. Anneau en dural. - 5. Colonne dural. - 6. Bâti. - 7.
Carénage H. T. - 8.
Échappement
aircom-primé. - 9 et 10. Plateau dural. --11. Arrivée air comprimé.
Fie. 10. - Schéma général de l’alimentation électrique.
1. Vers 1 MV - 2. Miliampèremètre. - 3. Débit H. T. de
0 à 10 mA.- 4. Sélecteur. Plages de régulation 100 il à
100 k. - 5. Réglage tension d’extraction. - 6.
Régula-tion courant tube. - 7.
Réglage du chauffage filament.
-8. Tension ligne. - 9. Alimentation Wehnelt. -10.
Ten-sion Wehnelt. - 11. Alternateur. -12. Vanne. -13. Air
comprimé. -14. Moteur air comprimé. -25. Régulation tension ligne. - 16. Discriminateur de tension. - 17.
Shunt 10 mA. - 18. Intensité chauffage. - 19.
Fila-ment. - 20. Wehnelt. - 21. Couronne
de serrage.
-22. Plateau. - 23. Porcelaine. - 24. Joint. - 25.
Élec-trode. - 26. Anticathode. - 27. Courant anticathode. - 28. Inductance de liaison
(~ 5 :.LH). - 29. Courant
mètre
réglable.
Elles sont de 4 à 22 .10-3 ~7 à volonté pour lapremière
électrode ;
de38,5.10-3
V pour laseconde ;
de 77.10-3 V pour latroisième,
puis
successivement croissantes d’une valeur de 77. .10-3 V d’unétage
au suivant àcompter
de la troisième électrode.Dispositifs
nécessaires aucentrage
du faisceauélectronique.
-La
longueur
dutrajet
que doiventparcourir
les électrons dans l’élaboration totale estde l’ordre de 4 mètres 50.
Étant
donnéqu’une
partie
de cetrajet
est parcourue à des vitesses relativementfaibles,
lechamp magnétique
terrestre dévierait le faisceau d’une manièreappréciable
parrapport
à l’axe du tube si aucuneprécaution
n’était
prise
pour y parer. L’effet est évidemment variable avec la tension d’accélération totale etd’autant
plus important qu’elle
estplus
basse ;
il serait concevable de réduire alors la hauteur du tube en retirant un certain nombre
d’éléments ;
mais nous voulionspouvoir disposer
d’unelarge
gamme de tensions continûment variables et exclure apriori,
dans toute la mesure dupossible,
les manoeuvres délicates etlongues
portant
atteinte àl’intégrité
dumontage
etqui
risqueraient
de nuire à l’étanchéité et aucentrage.
Nous avons
essayé
de réaliser des électrodes enmu-métal assurant le
blindage
magnétique
dufaisceau,
mais nous avons dû y renoncer devant lesdifficultés
techniques
et financières et les délais d’exécution.Nous avons donc effectué une
compensation
par-tielle de la
composante
horizontale duchamp
magnétique
local enplaçant
sur les murs nord etsud de la salle haute
tension,
à environ 9 mètresl’une de
l’autre,
deux cc bobines de Helmholtz »rectangulaires
à alimentation variable. Il serait commode dedisposer
d’unecompensation
complé-mentaire
est-ouest ;
nous l’avons différéejusqu’à
lalocalisation définitive du
montage.
Pour achever de centrer le faisceau d’une manière à peuprès
satisfaisante,
nousemployons provisoirement
unpetit
élément correcteur enferrite,
accolé au tube. Lesgrandes
bobinespermettent
d’écarter ou de centrer à volonté le faisceau pour toutes les tensionsemployées,
c’est-à-dire enpratique
entre 200 kVet 1 MV
environ,
actuellement.Organes
accessoires. Sourced’énergie
isolée.-Un
répartiteur
terminal, appelé
familièrementx pipe
», coiffe à la fois le haut du tube et lesextré-mités
supérieures
des deux colonnes isolantesqui
l’encadrent. L’une de ces
colonnes,
la colonnenord,
est reliée augénérateur proprement
dit par l’intermédiaire d’une résistance deprotection
hori-zontale et contient la résistance de mesure de la hautetension,
refroidie par une circulation d’huile.L’autre,
la colonnesud,
contient les transmissionsmécaniques
des différentes commandesqui,
àpartir
du
pupitre
situé dans une autrepièce
enpassant
sous lesol,
permettent
de faire varier la tension dechauffage
dufilament,
la tension deWehnelt,
la tensiond’extraction,
etc.... Undispositif optique
très étudié y estégalement placé
afin quepuissent
être lus du
pupitre
les instruments de mesure fixésdans la
pipe.
L’ensemblepériscopique
réalisé assure lapossibilité
d’une lecture simultanée desappareils;
il a unelongueur
d’environ 12 mètres avec trois renvois àangles
droits. Il amène sur lepupitre
lalecture du courant de
chauffage
dufilament,
de la tension deWehnelt,
du débitélectronique
dans le tube et de la tension de l’électrode de focali-sation.Il est évidemment
indispensable
dedisposer
d’une sourced’énergie
isolée au niveau de lapipe,
portée
à la haute tensionnégative
totale.Après
avoir examiné différentes solutionspos-sibles,
compte
tenu de la résistancemécanique
dessupports
dugénérateur
et de leursdispositions,
nous avons
adopté
lasolution,
préconisée
par l’un de nous, d’unepetite
génératrice
à aircomprimé.
Elle est constituée par un moteur àair
comprimé
de
1,85
CV construit commercialement pour des meuleusesportatives,
entraînant un alternateur àaimants
permanents.
Cedispositif
est lui aussilogé
dans lapipe.
Il consomme environ 12 m3 à l’heure d’aircomprimé
sous 5kg
depression.
L’airest
prélevé
sur le circuit de la ville par une canali-sationspéciale
de grosdiamètre,
il est acheminéjusqu’au
moteur par unetuyauterie
isolanteproche
de la colonnesud,
et franchit une vannespéciale
à faible résistance pour la coupure de l’alimentation.On
pourrait
craindre que le bruit et les vibrationsne soient
gênants
lors du fonctionnement d’unetelle
génératrice
àair ;
grâce
à un certain nombrede
précautions,
il n’en est rien et elle donne toute satisfaction.Toutefois,
la tension fourniepar
l’alter-nateur varie fortement avec la
puissance
con-sommée cequi
a nécessité unerégulation
de tension parservomécanisme,
en liaison avec le moteur devanne.
La
pipe
renferme en outre le circuit de commande duchauffage
dufilament,
un circuit derégulation
dudébit dans le tube par réaction sur la tension de ce
chauffage,
lepotentiomètre
variable en cuve à "huile dont nous avons
parlé,
ainsi que la source de tension Wehnelt(variable
entre 0 et 1500volts).
Contrôle des conditions de fonctionnement.
--L’élaboration étant
terminée,
nous avonsprocédé
aux essais habituels de .pompage, tenue sous
ten-sion et sous débit et montée en
débit,
avec contrôle descaractéristiques
du faisceau pour différentes distributions des tensions et différentesdispositions
du filament dans lapièce cathodique.
Les observations
expérimentales
ontporté
surau niveau de la cible et du débit dans le
réparti-teur de tension.La structure et les
caractéristiques
du tube sonttelles que le débit total est
toujours
égal
à lasomme des deux
autres,
c’est-à-direqu’il n’y
a pasde
perte
appréciable
sur les électrodes ouparois.
Le faisceau converge en totalité sur la cible.
De nombreux contrôles ont été effectués par
interposition
d’écrans minces en aluminiumrecou-verts de
produits
fluorescents,
circulaires ouannu-laires,
au niveau de la boîte deraccordement,
écrans observés par des fenêtres verticales enplexiglas
portées
par cette boîte.Enfin,
l’anticathode
«classique
» étantôtée,
letube était obturé par une cible terminale
«
transpa-rente o ; on choisit un métalléger
(Al
ou Cu suivantla
puissance
àdissiper)
et un débitfaible,
afin deminimiser l’émission X
pendant
les essais. Sasur-face,
renduefluorescente,
était observée à travers les facestransparentes
de la boîte deraccordement,
grâce
à unjeu
de miroirs inclinés. Le rayon-nement X sert alors si l’on veut à l’examensupplé-mentaire de la tache
focale,
soit parradiographie
decontact,
soit à l’aide d’undispositif
de chambrenoire si la tension d’excitation n’est pas
trop
élevée. Tous ces contrôles effectués pour des conditionsde fonctionnement variées et en suivant l’effet de
correction de
centrage
pour leschamps
magné-tiques auxiliaires,
nous savions comment obtenir pour toutrégime
dutube,
des distributionsélec-troniques
apparemment
convenables sur la cible.Nous avons alors
procédé,
d’unepart,
à une fineanalyse
aposteriori
des conditions defonction-11.
nement du tube
accélérateur,
à l’aide d’une étude à la cuverhéographique ;
d’autrepart
etsimul-tanément,
à des étudescomplémentaires
par dosi-métriechimique,
afin de déterminerl’énergie
utili-sable et la distribution durayonnement
dansdiffé-rents
plans d’expérimentation.
Lafigure
11 montre une « carte dechamp
» obtenue à 600kV,
1 mAà 92 mm d’une cible
d’or ;
les chiffres entourésindiquent
les débits de doses enr/min
à 10°~°
près.
Étude
du faisceau à l’aide d’une cuverhéogra-phique.
- La construction d’unecuve
rhéogra-phique
a rendupossible
le relevé de cartes depotentiel
àpartir
de modèlesqui
représentent
lesélectrodes,
pour différentes valeurs des tensionsqui
y sontappliquées.
Une étudespéciale
a été faite pour larégion
cathodique.
La connaissance de larépartition
dupotentiel
suivant la hauteur du tube(fig. 12),
~ FIG. 12.. ,
a
permis
de calculer deuxtrajectoires électroniques
(a
et bfig. 13)
et de là toutes lescaractéristiques
Fm. 13.
’
optiques
dutube,
avec une bonneapproximation.
Dans le
régime
habituel,
le calculindique
quel’image
du filament se formerait très au delà de lades
avantages
à travailler autour de cerégime.
On
prévoit
alors que les dimensions dufoyer
sontvariables avec les conditions de fonctionnement et les dimensions de la cathode
émissive,
dès que l’on n’estplus
dans les conditions deGauss,
maisqu’il
doit rester à peuprès
circulaire.Lorsque
lecross over est
placé
sur lacible,
la distribution de densitéélectronique
idéalisée estgaussienne.
Leplus
souvent,
lerégime
choisi est voisin de celui-ci.Compte
tenu des aberrations et de lacharge
d’espace,
un calculnumérique
montre que, parexemple,
pour une tension totale de 500 kV et un courant de 1mA,
le diamètreprévu
pour lespot
est d’environ 1 cm. La structure de la source
d’électrons doit être peu visible.
Les observations
expérimentales préalables
se trouvent ainsijustifiées.
Exemples
de modalitéspratiques
de fonction-nement. Doses derayonnement
utilisables. -- Liemontage
offre despossibilités
très variéesd’emploi
du faisceauélectronique
primaire.
Nous n’indi-querons ici que trois d’entreelles, éprouvées
enrégime depuis plusieurs
années. Dans tous les cas,la tension d’accélération est variable à volonté
d’une manière
continue,
sanschangement
de lamorphologie
dumontage,
entre 100 à 200 kVet 1 MV au moins. Les anticathodes réalisées per-mettent de maintenir en
régime
despuissances
de 2 kW au moins à toute
tension,
pour des taches focalesquasi-circulaires
dont le diamètrequi
estde l’ordre du cm pour la focalisation
optima
peut
être
élargi
à volonté. Lerégime
peut
êtreporté
à 3 kWpendant
des duréesqui
ne sont limitées àenviron
1/2
heure que par les échauffements des cir-cuits de commande dugénérateur.
Le débit est variable à
partir
dé zérojusqu’à,
parexemple,
5 mA à 400 kV ou 2 mA à 1MV,
et correctement stabilisé à 5% près.
Lafidélité,
la constance et lareproductibilité
des conditions de travailapparaissent d’après
les résultats de la dosi-métrie effectuée(1).
1° OBTENTION DU FAISCEAU HORIZONTAL. - La
cible en
tungstène
estportée
par lapièce
anti-cathodique classique (fig.
7).
Nous réservons cettecible pour des tensions relativement basses ou
des besoins
exceptionnels,
le rendement de la cible« transparente »
étantbeaucoup plus
favo-rable aux hautes
énergies.
Uneexpérience
type
enélaboration réduite à 7 éléments accélérateurs a donné :
Tension accélératrice : 400 kV.
_
Débit dans le tube : 2 mA.
’
Débit de dose fournie
par le
faisceau à2,5 cm
dela fenêtre
latérale,
soit environ 10 cm dufoyer :
~ 2 000
rlmin.
2° OBTENTION D’UN FAISCEAU X VERTICAL UTI-LISABLE SOUS ANTICATHODE TRANSPARENTE. - La
cible est
généralement
constituée par une couched’or
d’épaisseur
convenablementchoisie,
déposée
sur une
plaque
de cuivre. Lerayonnement
Xhété-rogène
émis traversel’épaisseur
ducuivre,
la nappe d’eau de refroidissement et la lame mince de duralqui
la contient(fig.
6).
L’affaiblissementqui
enrésulte,
principalement
pour lescomposantes
molles, doit être
globalement
de l’ordre de 25~~
pour une tension d’excitation de 1 En sereportant
à l’articlesuivant,
on verra que la dose débitée à7,5
cm au-dessous de la surfaceanti-cathodique
varie parexemple
de 1 000 à 30 000r/min
par mA pour uneépaisseur
d’or d’environ 120 g, la tache focaleayant
à peuprès
1 cm de
diamètre, lorsque
la tension d’accélérationpasse de
0,300
à 1 MV. Un dosimètre à sulfate ferreux dequelques
cm de diamètre montre que la dose varie peulorsque
l’on défocalise lespot
deplusieurs
fois son diamètre minimum. Les dosessont
reproductibles
à environ 10% près. L’emploi
effectif de l’accélérateur apermis
dedévelopper,
entreautres,
depuis
deux ans, des études deradiopolymérisation
sous forte densité Xqui
nous seraient inaccessibles sans sa réalisation.Dans certains cas, il est
avantageux
d’employer
des anticathodes
« transparentes
» constituées d’unesimple
feuille minced’or,
parexemple,
sanssupport
de cuivre ni boîtier d’eau de refroidissement. Dans les mêmes conditions
d’excitation,
donc pour unemême dose de
rayonnement
parasite,
la dose utili-sablepeut
être accrue de 25 à 30%,
mais lapuis-sance consommable est limitée.
3° CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT AVEC
FENÊTRES TRANSPARENTES AUX ÉLECTRONS.
-Pour l’utilisation du
montage
commegénérateur
de faisceaux d’électronslibres,
onremplace
l’anti-cathode
transparente
et son boîtier derefroidis-sement,
par unepièce
terminale en cuivre rouge refroidie à l’eauqui
porte
en son centre une fenêtred’aluminium
transparente
aux électrons(~).
L’em-ploi
d’unalliage
d’aluminium à 7%
demagnésium,
utilisé avec succès sur le tube de van de Graffde 2 MV de
Harwell,
s’est montrébeaucoup
moins satisfaisant que celui de l’aluminium pur, enparti-culier par suite d’une moins bonne conductibilité. Nous avons
jusqu’à
maintenant utilisé seulementdes faisceaux
statiques
émergeant
d’une fenêtrecirculaire,
sansgrille
support.
Sescaractéristiques
varient suivant les cas. Elle a parexemple
20 mm (1) Pour tout ce qui concerne l’étude des cibles et des« performances du montage
par dosimétrie X, le lecteur
voudra bien se reporter à [3].
(2) Depuis de très nombreuses années notre laboratoire
de
diamètre,
étant en aluminium de0,05
mmd’épaisseur.
On sereportera
à lafigure
8.Les tentatives de dosimétrie
chimique précise
du faisceau d’électronsémergeant
dansl’air,
même à desrégimes
extrêmementfaibles,
de l’ordre dumicroampère
intérieur,
ontjusqu’ici
échoué,
parsuite d’un effet de « saturation » immédiate du
dosimètre. On
peut
cependant
estimerqu’à
cerégime,
les débits de dose sont,supérieurs
à106
r/min.
On sait que le parcours des électrons de 1 MeV dans l’eau est de l’ordre de 5 mm.Dispositifs
annexes de sécurité etblindages
contre lesrayonnements.
-L’emploi
de l’accélérateurnécessite des contrôles
permanents
des doses derayonnements
reçues par lesexpérimentateurs,
ouqui
sepropagent
dans levoisinage.
Ils sont assurés à l’aide de chambres et destylos
dosimètres et de films de sécurité.Il a été constaté que les
régions supérieures
dumontage,
de la salle haute tension etvraisem-blablement de l’air
atmosphérique
jusqu’à quelques
mètres au-dessus de l’électrodeterminale,
contri-buent à la diffusion derayonnements
relativementimportants
qui
peuvent
retomber enpluie
àgrande
distance. Cesrayonnements
diffusés sontnaturel-lement
beaucoup
moinspénétrants
que lerayon-nement
primaire.
Pour y remédier d’une manièresimple
etrapide,
nous avons réduit l’ouverture du cône derayons X
émis vers le haut de l’anticathode à l’aide deblindages
en acierlogés
dans la boîte deraccordement et au-dessous. La très bonne défi-nition du faisceau fait que ces
pièces
ne recueillentpratiquement
pasd’électrons ;
le bon fonc-tionnement est maintenumalgré
la réductionnotable de la vitesse de pompage au niveau de la cible.
Les
blindages
extérieurs mis enplace
d’unemanière
permanente comprennent
entre autres unchâteau de
plomb
de 10 cmd’épaisseur
entourant la cible etmobile, complété
au niveau de la boîte de raccordement par des sacs degrenaille
deplomb.
Une
paroi
en U entoure toute l’élaborationjusqu’à
environ 2 mètres dehauteur ;
elle est faite debriques
deplomb
de 5 cmd’épaisseur.
Nous veillonsà ce que les doses relevées dans les locaux voisins
n’atteignent,
même deloin,
en aucun cas la dosede sécurité. Mais la
puissance
utilisable,
ainsi que le nombre d’heures de fonctionnement del’accélé-rateur doivent être limités en raison des rayon-nements encore transmis ou diffusés dans le
voisi-nage. De
plus,
des restrictionsbeaucoup plus
sévères nous sontfréquemment imposées
pour nepas
perturber l’expérimentation qui
se dérouledans certains laboratoires
proches
avec des détec-teurs sensibles. Il ne nous est donc paspermis
actuellement de faire donner aumontage
sonpos-sible
rendement,
ni enrégime
instantané,
ni enrégime prolongé.
-Conclusions. -- L’accélérateur réalisé
et mis en
service
depuis
deux ansrépond déjà
sous sa formeactuelle aux
exigences
que nous avions en vue.Il nous a
permis
dedévelopper
des recherches surdes
radiopolymérisations
à latempérature
de l’azoteliquide. Quoiqu’il
ait été construit avec lesmoyens réduits d’un laboratoire de recherches
physicochimiques
etqu’il
utilise des éléments anciens etdémodés,
il semble être encore aupre-mier
plan
desmontages
existant actuellement enFrance,
et offrir avec unegrande
souplesse
desrégimes
de fonctionnementparfaitement
stables donnant des doses derayonnement
supérieures
à celles des accélérateursétrangers
commerciaux de 1 MeV.Citons en effet le débit de dose X
indiqué
encatalogue
par laHigh Voltage Eng. Corp.
de 8rlmin
à 1 m(probablement
pour 250fLA
sous1
MV)
ou celuirapporté
pour l’accélérateur du Bureau of Standards àWashington [4] :
moins de 30r ~ min
pour 1 mA à 1MV,
sur cible detung-stène à 1 mètre de la cible. Les débits que nous obtenons sont de l’ordre de 5 fois
supérieurs.
Quant
aux résultatsindiqués
pour lesgénérateurs
commerciaux de la Société francaise SAMES, ils
se limitent actuellement à
0,5-0,6
’
L’élaboration,
l’améliorationprogressive
et le maintien en bon état de marche de cemontage,
aussi bien que
l’analyse
de sesperformances,
sont oeuvre collective. Il n’était paspossible
d’associer à cettepublication générale
tous ceuxqui
y ontpris
part
dans le cadre dulaboratoire ;
il n’est même paspossible
de les nommer. Nous tenons àsouligner
le rôlepartiulièrement important
rempli
par M.Dax,
dessinateur,
entre autre dans l’étudepréalable
des éléments dumontage
et dans l’exécution des
dessins ;
deplus,
les cibles d’or ont été réalisées par les soins de :B1. Dax à l’aide duprocédé Dalic,
dans les locaux de cetteSociété, grâce
à l’amabilité de sonDirecteur,
M.
Icxy.
IJngrand
nombre depièces mécaniques
ont été réalisées dans les ateliers du laboratoire
par MM.
Richard,
Garnier et Baudier : parexemple
l’extrémitécathodique
(à
l’exclusion ducanon),
toute la
partie anodique
dutube,
toutes les cibleset
fenêtres,
lepotentiomètre
répartiteur
et les commandes à distance. Les bobinesgéantes
et lesparois
dublindage plombées
ont été réalisées dansnotre atelier de menuiserie par M.
Ravignot.
Lamanutention,
les travaux d’électricité etd’élec-tronique,
entre autres, ontgénéralement
été exé-cutés(souvent
dans des conditionspénibles)
par différents techniciens dulaboratoire,
particulière-ment par
Seguin.
Nous devons à M.Montel,
Chef de Travaux auLaboratoire,
une aide trèsefficace pour l’étude du
dispositif optique
deLes isolateurs de
porcelaine ont
étéspécialement
établis sur nosplans
parl’Electro-Céramique,
àl’usine de
Bazet,
sousl’impulsion
de M. Ch.Luquet.
Les électrodes d’inox et les
plateaux
d’aluminiumont été exécutés par la Maison Tosani. Elles ont
été
polies
par la Maison Frémont.Les anneaux
toriques
ont été fournis par la Société «Forgeal
».Les
joints toriques
sont du « JointFrançais
o.La « Soudure
Autogène
française
» nous afré-quemment
apporté,
grâce
entre autres à M.Farcy,
un très utile concours.Nous devons à M. Bernier et à ses collaborateurs
de la Société C. S. F. la réalisation de la cathode
proprement
dite,
ausujet
delaquelle
nous avonsreçu de ~~Z.
Robinson,
Directeur de laHigh Voltage
Eng. Corp.,
des informations intéressantes.La Société Brochot a réalisé pour nous
d’excel-lents
usinages,
enparticulier
celui de la boîte deraccordement.
Le groupe de pompage est ’de la Société Balzers. Les redresseurs au sélénium ont été fournis par la Société
Haefely.
M. Morrison à
Harwell,
nous a donné des feuillesd’alliage aluminium-magnésium
et faitpart
d’infor-mations intéressantesqui
nous seront utiles dans la suite de l’élaboration.Nous remercions très sincèrement toutes les
per-sonnes en cause pour l’aide
compréhensive
eteffi-cace
qu’elles
nous ontapportée
avecdésintéres-sement.
Nous devons à MM. les Directeurs Baïssas et
Debiesse du Commissariat à
l’Énergie
Atomique,
dedisposer
des moyens deprotection
sanslesquels
il nous serait
impossible
de faire fonctionner cemontage.
Nous les en remercions bienvive-ment.
La réalisation du
montage
présenté
ici au pre-mier stade de son achèvement n’aurait pas abouti sansl’appui
constant et effectif donné par M. le Haut Commissaire Francis Perrin auprojet
dontil avait rendu
possible
l’élaboration. Sous sonimpulsion,
l’un de nous a pu yprendre
unepart
décisive. Nous tenons à lui dire notre
profonde
reconnaissance.
Manuscrit reçu le 31 juillet 1959. BIBLIOGRAPHIE
[1] BRUCK (H.) et PRÉVOT (F.), Rapport CEA n° 189, 1953.
[2] BOUWERS (A.),Elektrische Hôchstspannungen, J.
Sprin-ger, 1939.
[3] CAUCHOIS (Y.) BERNAS (A.) GAZAÏ (A.), J.
Physique Rad.,
ci-dessous, p. 123 A.[4] MILLER
(W.),
MOTZ (J. W.) et CIALELLA (C.),Phys.
Rev., 1954, 96, 1344.
REVUE DES LIVRES VOGE (J.), Les tubes aux hyperfréquences. (Triodes et
, tétrodes. Klystrons. Magnétrons Tubes à ondes
pro-gressives.) Collection technique et scientifique du
~
C. N. E. T.,
Eyrolles,
éditeur, Paris (Prix 4 300 F.).Très bon livre mis à jour en 1959 écrit pour les ingé-nieurs spécialistes des hyperfréquences (édition de 1951
complétée). Le lecteur trouvera dans cet ouvrage en dehors
des tubes précédemment étudiés, depuis longtemps clas-siques, l’exposé du principe, de l’historique, de la théorie
et des conditions d’emploi des tubes les plus récents à ondes
progressive : carcinotron, platinotron, tubes amplificateurs à « sauts de potentiel
~, accélérateur linéaire.
Ce traité intéressera aussi les physiciens non spécialisés
dans l’étude des hyperfréquences, car il leur permet de se
renseigner sur le principe de fonctionnement de ces nou-veaux tubes à noms un peu « barbares » puisqu’ils trou-veront dans ce livre une théorie schématique (on pourrait
presque dire une explication qualitative) du mécanisme de
leur fonctionnement, suivie de la théorie mathématique élémentaire qui permet une étude plus poussée des condi-tions de ce fonctionnement.
A. LANGEVIN.
NADLER (M.), L’oscillographe cathodique. Traduit de l’an-glais par H. Aberdam, 1 vol., 14 X 22 cm, 288 pages,
Dunod, éditeur, Paris, 1957, 2 200 F.
Excellent ouvrage de vulgarisation. Le sujet est traité
très complètement avec le minimum de mathématiques.
Malgré son apparence très simple ce livre donne un
exposé sérieux de l’historique du tube cathodique, de son
fonctionnement de sa constitution interne, du mécanisme
de la concentration du faisceau des systèmes de
balayage
du spot, des montages utilisés pour les bases de temps et de tous les accessoires nécessaires à l’utilisation d’un oscil-lographe cathodique.