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"Perfectionnements relatifs à un appareil générateur élec- trostatique ".
Cette invention se rapporte à un appareil électrosta- tique à haut potentiel basé sur les principes généraux exposés dans le brevet américain n 1.991.236 demandé le
16 décembre 1931. Un appareil électrostatique de ce genre est utilisé de plus en plus pour la production de courant continu à haut potentiel. Les générateurs de ce type comprennent généralement une électrode ou borne de haute tension montée sur un ou plusieurs supports isolants, consti- -.tuant, en fait, une colonne isolante entre la borne et la terre, les charges étant transférées entre la terre et la borne, par un milieu mobile, transporteur de charges, géné- ralement sous forme d'une bande sans fin.
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Le besoin, dans de telles applications, en tensions de l'ordre de plusieurs millions de volts, a amené à l'uti- lisation de gaz sous haute pression, au lieu de l'air atmos- phérique comme milieu entourant les pièces composantes de ces générateurs. L'emploi d'une pression de gaz ainsi ac- crue augmente la tension qui peut être supportée aux extré- mités d'un intervalle donné entre électrodes, ou, pour la même tension, il réduit l'intervalle nécessaire . L'effet est donc d'augmenter la compacité des sources de hautes ten- sions de ce type et, par conséquent, de réduire leur prix, leur encombrement, et d'obtenir d'autres avantages qui en résultent.
Mais, même avec emploi de gaz sous haute pression,les tensions nécessaires dans les recherches nucléaires,qui peuvent être de l'ordre de plusieurs mégavolts, ont néces- sité la contruction de générateurs de grandes dimensions physiques. Par exemple, on a construit des générateurs, en-fermés dans des cuves de pression, ces dernières attei- gnant environ 15 mètres de haut et 9 mètres de diamètre.
En général, la borne à haute tension de ce type de générateur électrostatique consiste en une coque métalli- que en forme de dôme, généralement hémisphérique, oayant une surface arrondie ou sphérique et supportée sur la co- lonne isolante. La cuve de pression renfermant le généra- teur a généralement une extrémité supérieure arrondie dont la paroi est espacée de la surface de la borne et peut lui être concentrique .
Pour un diamètre de cuve donné, il existe un diamè- tre optimum de la borne haute tension, pour lequel une tension maximum peut être supportée par l'espace inter- médiaire . L'emploi d'un diamètre plus petit ou plus grand pour la borne haute tension réduirait la tension maximum qui peut être supportée . Ceci est dû au fait.
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que des çlaquages se produisent lorsqu'une certaine valeur maximum du gradient, caractéristique du gaz et de la pres- sion, est dépassée en un point quelconque de l'espace en- tre les électrodes.
L'effet d'une réduction du diamètre de la borne hémisphérique est d'augmenter la distance de dé- charge, mais, en même temps, d'augmenter le gradient élec- trique relatif à la surface de la borne, dû au rayon de courbure diminué et à l'augmentation de distorsion du champ qui en résulte , D'autre part, l'effet d'une augmentation du diamètre par rapport à la valeur optimum est d'augmenter le rayon de courbure, mais, en même temps, de réduire l'espace intermédiaire .
Pour une intensité de tension maximum, la relation optimum entre le diamètre de la cuve et le diamètre de la borne, comme on peut le démontrer, doit être exactement de 2 à 1, en supposant que la distribution du champ est celle de sphères concentriques et en supposant qu'un cer- tain gradient de potentiel limité est admissible pour l'iso- lation gazeuse. Avec ce rapport optimum, il est évident que le gradient à la surface de la borne, est exactement quatre fois le gradient à la surface de la cuve , Lors- qu'on désire des tensions plus élevées, dans un gaz sous une pression déterminée, il ne suffit pas simplement d'aug- menter le diamètre de la cuve pour obtenir une séparation plus grande des électrodes.
Si, avec une telle disposition, on fait l'emploi le plus efficace de l'isolation, il faut augmenter à la fois les diamètres de la cuve et de la borne, de façon à ponserver ce rapport optimum. Par suite de ces conditions, on a établi des machines d'un grand nom- bre de mégavolts, dans lesquelles le diamètre de la borne est de l'ordre de 3 m à 4,5 m ou davantage, dimension qui est très supérieure à l'espace nécessaire dans la bor-
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ne, mais qui est nécessaire pour obtenir la géométrie la plus efficace des électrodes, au point de vue de la rigi- dité d'isolation pour tension maximum. Cette méthode pour l'isolement des très hautes tensions dans les cuves à pres- sion ne tire pas un parti maximum des propriétés isolantes du gaz comprimé.
Un des buts de la présente invention est d'éviter une telle limitation et par suite ses inconvénients et d'augmenter la tension qui peut être isolée dans des con- ditions données, par l'établissement d'un gradient de po- tentiel sensiblement ou approximativement uniforme dans la région entre les parois, d'un champ sensiblement uniforme dans les régions entourant le transporteur et le support isolant pour la borne, et par l'établissement d'un champ sensiblement uniforme dans ces régions, quel que soit le rapport entre les dimensions de la cuve et de la borne.
Un moyen d'y arriver, qui est montré ici dans la réa- lisation de l'invention donnée à titre d'exemple, est de prévoir un certain nombre d'écrans minces présentant chacun une surface conductrice métallique continue, ces écrans étant espacés les uns des autres dans l'intervalle entre la borne et les parois de la cuve . Au cas où le dôme de la cuve et la borne sont de forme hémisphérique, les parties supérieures de ces écrans sont de préférence concentriques avec la borne.
En général, une isolation pleine a une rigidité dié- lectrique moins grande qu'un espace correspondant dans le gaz,, et le gradient admissible le long d'une telle isola- tion, est beaucoup moins grand que directement dans le gaz. Il est donc nécessaire de prévoir un support isolant de longueur relativement grande entre la borne et la terre.
La région le long et à l'intérieur d'un tel support et le
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long et autour de la bande porteuse de charges, par suite, est particulièrement susceptible du claquage . Il devient donc très important d'avoir une régulation de la distribu- tion du potentiel et de réduire la distorsion du champ dans cette région, ainsi que dans la région voisine de la borne.
Par suite, on prévoit le maintien d'un gradient de potentiel sensiblement uniforme entre la borne et la terre, le long du support isolant sur lequel la borne est mon- tée. A cet effet, les écrans entourant la borne comprennent aussi des prolongements cylindriques vers le bas, qui sont connectés à là colonne et supportés par elle en des points successifs appropriés, de sorte que le potentiel voulu, ap- proprié, est placé sur chacun des écrans intermédiaires .
De plus, on prévoit, de préférence, des moyens pour que le champ dû à la charge de la bande soit distribué sur la lon- gueur de la bande par des potentiels régulés appliqués effec- tivement à une succession de sections de courtes longueurs de la bande porteuse.
Ces écrans agissent alors, dans chaque cas, pour dé- finir une surface sensiblement éqùi-potentielle dans l'es- pace entourant la borne et le.support isolant, et autour et en travers du transporteur, ce qui diminue la distor- sion,du champ électrique, laissant le gradient entre la cu- ve et la borne plus uniforme.
De cette façon, la grande disparité dans le rapport du gradienà la surface interne de l'électrode intérieure et de la surface interne de la cuve peut être réduite,et, en outre en peut laisser de côté la condition d'un rap- port optimum entre les diamètres de la cuve et de la bor- ne. L'emploi d'écrans intermédiaires de ce genre dans une cuve relativement compacte ou dans une autre enceinte permet des bornes haute tension de petit diamètre, assez grandes, seulement, pour abriter les diverses pièces com-
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posantes de l'appareillage, considération importante lorsque l'appareil est utilisé pour l'accélération d'électrons, dont les sources sont relativement simples et compactes.
Considérée de façon idéale , la borne haute tension, si l'on utilisait un nombre suffisant d'écrans intermédiaires, peut être rendue infiniment petite , de sorte que le rayon entier de la cuve sphérique serait disponible pour l'isole- ment de la tension. Avec un nombre infini d'écrans d'épais- seur négligeable, tous à un potentiel régulé, le gradient, entre la borne et la cuve pourrait être sensiblement uni- forme . Dans une hypothèse idéale de ce genre, on pourrait isoler une tension quatre fois plus élevée que lorsqu'on emploie un dispositif à intervalle ouvert ou unique avec un rapport optimum des diamètres égal à 2.
A cause de consi- dérationspratiques, une condition idéale de ce genre n'est évidemment pas réalisable, La borne haute tension ne peut pas être rendue infiniment petite, et le nombre des écrans intermédiaires ne peut pas non plus être excessivement grand.
L'illustration comparative qui suit, toutefois, montre la nature du gain en tension isolée pour un diamètre donné de cuve, qui résulte de la méthode du demandeur.
On considérera une cuve de 1 mètre de diamètre, avec un dôme hémisphérique et une borne haute tension hémisphéri- que , la cuve contenant du gaz à une pression telle que le gradient maximum qui peut être supporté soit de 15800 volts par centimètre . Dans les constructions antérieures, avec un intervalle ininterrompu entre le dôme de la cuve et la borne haute tension, le diamètre optimum de cette dernière serait de 50 cms le rapport du gradient de la surface de la borne serait de 4:1 et la tension maximum que l'on pourrait isoler serait de 2000 kilovolts.
On supposera qu'un seul écran intermédiaire à potentiel régulé est prévu, d'un diamètre tel que le gradient à la sur-
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face extérieure de l'écran soit le même que le gradient à la surface extérieure de la borne . La tension maximum qui pourrait être supportée sur la borne serait alors de 2830 kilovolts et le rapport des gradients maximum et minimum dans cette disposition à intervalle double serait de 2:1.
Dans ces.conditions, l'écran intermédiaire serait à un potentiel de 1. 665 kilovolts au-dessus de celui de la terre .
On supposera maintenant que deux écrans intermédiaires espacés s'ont placés de la même façon entre les électrodes.
La tension maximum qui pourrait être isolée sur la borne serait alors de 3.180 kilovolts, et le rapport des gradients du système d'électrodes serait réduit à 1.59:1.
Dans ces conditions l'écran intérieur serait maintenu à 2355 kilovolts par rapport à la terre, et le second écran à 1315 kilovolts par rapport à la terre .
Avec trois écrans intermédiaires, la tension maximum devient 3370 kilovoltset le rapport des gradients se réduit à 1,41:1 . Avec un très grand nombre d'écrans d'épaisseur négligeable , la tension serait de 4000 kilovolts et le rap- port des gradients serait 1.
Il est évident.qu'un nombre d'écrans relativement petit, disposé comme on la suggère, produit une grande augmenta- tion de la tension que l'on peut isoler. Toutefois, l'exem- ple ci-dessus n'illustre pas l'avantage additionnel qui résulte d'une construction permettant un diamètre de borne inférieure à la valeur optimum donnée ci-dessus. Si les conditions de volume permettent un diamètre de la borne haute tension inférieure à la moitié du diamètre de la ce cuve, comme @ peut être le cas, particulièrement dans les générateurs de très haute tension, il est évident que la construction d'écrans peut partir de tout diamètre de borne désiré et qu'une grande proportion de la distan-
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ce radiale peut ainsi être utilisée à l'isolement de la tension.
En outre de l'avantage de réduire la distorsion du champ par l'emploi d'écrans, comme décrit, un autre avantage résulte du fait qu'en général la rigidité de claquage à travers un grand intervalle, même quand le champ es uniforme, est augmentée si on subdivise l'intervalle en un certain nombre d'intervalles plus petits par emploi d'écrans à des po- tentiels appropriés, puisque la résistance au claquage ré- sultant d'un certain nombre de petits intervalles est suscep- tible d'être plus grande que celle de l'intervalle uni- que , antérieur, de même longueur totale.
L'invention se comprendra mieux en se reportant à la description qui suit et 'aux illustrations ci-jointes d'une réalisation spécifique de l'invention.
Dans les dessins :
La figure 1 est une élévation, en coupe partielle, d'un générateur électrostatique à isolation par gaz sous pression réalisant une forme de l'invention; la figure 2 est une coupe en plan selon la ligne 2-2 de la figure 1 et la figure 3 est un diagramme représentant la distri- bution de gradient selon l'axe de la cuve du générateur lorsque l'on emploie deux écrans intermédiaires, comme dans le générateur de la figure 1.
Selon le dessin et la réalisation de l'invention qui y est montrée à titre d'illustration, le générateur électrosta- tique comprend l'électrode ou borne de haute tension 11, con- sistant en une coque creuse et, ici, approximativement hémis- phérique en substance conductrice comme par exemple du lai- ton, cette coque reposant sur un anneau 13 du métal conduc- teur qui est monté à son tour au sommet de trois piliers es- pacés 15 en matériau isolant, produisant l'effet d'une colon-
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ne isolante en forme générale de trépied.
Les pieds des piliers reposent sur une plaque de base 17 en métal conducteur, supportée par les parois de la cuve en acier 19, cette dernière constituant une en- ceinte remplie de gaz sous pression. Ce gaz, par exem- ple, peut être de l'air maintenu à une pression de 7 à 14 kgs par centimètre carré au-dessus de la pression atmosphérique . La cuve au-dessus de la plaque de base
17 est représentée ici comme étant de forme cylindrique, se terminant au sommet par un dôme hémisphérique dont les parois sont concentriques avec celles de la borne 11, un espace notable étant prévu entre les parois de la cuve et la borne et la colonne isolante.
Le transporteur de charges est ici en forme de bande sans fin 21, en matériau isolant, tel' que du tissu de caoutchouc . Près de la plaque de base, cette bande passe sur une poulie métallique mise à la terre, 23, entraî- née par un moteur approprié (non représenté) et est pla- cée verticalement, vers le haut et vers le bas, en brins parallèles, passant sur une seconde poulie métallique 25 à l'intérieur du corps de la borne' 11 mais isolée de ce corps. A son extrémité inférieure, des charges de signe positif ou négatif, à volonté, sont établies sur la bande
21 par tout moyen approprié, comme l'électrode balai usuelle ou une série de pointes en forme de peigne 27, con- nectées à une source de charges 29 qui peut comporter une source de courant alternatif, un transformateur et un redresseur .
Ces charges sont transférées à la borne et des charges de signe opposé sont transférées de la borne au brin descendant de la bande par tout moyen approprié, représenté ici de façon conventionnelle, par l'électrode balai 31 connectée à la poulie 25 et en relation de
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fonctionnement avec la bande, et un second balai 33 en relation de fonctionnement avec la bande auommet de la poulie et connecté à l'électrode.
Dans le type de générateur illustré, un tube à rayons X 35 est indiqué, de façon conventionnelle, monté verticalement sur la plaque de base 17, avec son extrémité supérieure dépassant dans la borne creuse 11, cette dernière servant comme source de potentiel élevé pour le tube . Un prolongement métallique à la terre 37 du tube, dépasse à travers le fond de la cuve 19 et se termine en une cible à rayons X.
Un dispositif est utilisé pour établir et maintenir un gradient de potentiel uniforme le long de la colonne isolante entre la borne 11 et le plan de terre qui est établi à la plaque de base 17 ou à son voisinage . Ce dispositif consiste ici en une série d'anneaux très rappro- chés mais séparés 39, chacun en métal conducteur et, de préférence de forme tubulaire, entourant les trois piliers 15 et soutenus par eux à leurs positions assignées,de façon à produire une série en forme de colonne d'anneaux successifs allant de l'extrémité supérieure du support isolant à l'extrémité inférieure, la représentation com- plète de tous les anneaux étant omise dans une partie des dessins pour éviter de la confusion.
Pour la régulation du champ dû à la charge de la ban- de, des dispositions sont prévues, qui sont décrites plus en détail au point de vue fonctionnement et construction,dans la demande de brevet belge déposée le 14 juillet 1947 sous /368. 738 le n /pour : "Perfectionnements aux appareils générateurs électrostatiques" au nom de la société dite :"Research Corporation!!mais qui comprennent :
Une série verticale de conducteurs 41, chacun de forme
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tubulaire, est prévue, très rapprochée de la face extérieu- re du brin montant de la bande et s'étendant transversale- ment sur cette face, et une série analogue sur la face ex- térieure du brin descendant.
De préférence, cette série de conducteurs tubulaires s'étend sur au moins la même portée ou distance verticale que les anneaux 39 et coïncident, en nombre et en espacement, avec les anneaux, chaque conducteur 41 étant prolongé en longueur pour avoir une connexion mécanique et électrique à l'un des anneaux.
Ce dispositif de régulation du champ comprend égale- ment deux séries additionnelles de conducteurs semblables 43 placés dans le même plan transversal que les conducteurs 41, mais une série étant placée très rapprochée de la face interne du brin montant de la bande et l'autre série très rapprochée de la face interne.du brin descendant, ces conducteurs s'étendant également sur toute la largeur de la bande et étant prolongés pour avoir une connexion électrique et mécanique avec l'anneau 39 situé dans le même plan.
La présence de la série de conducteurs espacés aide à maintenir un gradient de potentiel régulé longitudinalement et près de la bande entre l'électrode et la terre, par l'établissement de surfaces équi-potentielles, de même que les anneaux servent à maintenir un tel gradient longitu- dinalement et près de la colonne 'isolante . L'établissement d'un tel gradiende potentiel régulé est' aidé, en outre, par l'emploi de surfaces équi-potentielles sous forme de plaques conductrices minces et plates. Une série de plaques de ce genre , 45, est indiquée (figures 1 et 2), comme con- nectée entre un anneau 39 et le tube correspondant 41 sur le côté montant de la bande et une série semblable 47 est montrée, allant de chaque anneau au tube correspondant 41
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sur le côté descendant de la bande .
On les montre recou- vrant sensiblement toute la surface située dans un plan quelconque entre le tube conducteur et l'anneau laissé à dé- couvert par les piliers isolants, le tube à rayons X et autres pièces qui interfèrent. Les piliers isolants peu- vent consister en une série empilée de sections approxima- tivement cylindriques mais de préférence ondulées (comme in- diqué partiellement sur la figure 1), séparées les unes des autres par les plaques conductrices minces. Une série de plaques semblables 49 est prévue pour s'étendre entre les conducteurs opposés 43 de chaque paire, et chaque plaque de ce genre 49 va et est connectée aux extrémités opposées à la périphérie interne de l'anneau 39 correspondant.
Un gradient de potentiel uniforme dans toute la série est assuré par un léger passage de courant de fuite entre chaque ensemble transversal conducteur et l'ensemble immédiatement sous-jacent, comme par exemple par la résis- tance 51, indiquée de façon conventionnelle sur la figure 1, entreles plaques 45.
Autour de la borne 11, on a prévu un certain nombre, (deux dans le cas présent) , d'écrans intermédiaires 53 et 55 de nature et de construction décrites précédemment.
Ces écrans comprennent chacun une portion sensiblement hémisphérique concentrique avec la borne et ayant chacune une partie cylindrique s'étendant vers le bas entre la co- lonne isolante et les parois de la cuve, chaque prolon- gement cylindrique ayant son extrémité inférieure connec- tée et supportée par un des anneaux conducteurs 39.
L'espacement entre les écrans est tel qu'il produit trois intervalles successifs et crée un gradient sensible- ment uniforme entre la cuve et la borne, selon les prin- cipes exposés plus haut et comme indiqué sur le diagramme de gradient montrésur la figure 3. Les prolongements cy-
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lindriques sont connectés chacun à la série d'anneaux 39 en des points appropriés, c'est-à-dire aux points, le long de la colonne, où un potentiel correspondant a été établi . Par suite, l'écran intérieur est montré connecté à un tel anneau à un point à une courte distance vers le bas de la colonne ,.et le second écran à un point plus bas de la colonne, et, dans le cas présent, à plus de la moitié de la distance entre l'électrode et le plan de terre.
Leésultat est que le volume tout entier autour de l'élec- trode, la colonne et la bande, et entre ces pièces et les parois de la cuve , est séparé ou compartimenté par des surfaces ou superficies équipotentielles, ce qui réduit la distorsion du champ électrique dans toute la région entre la borne et la cuve .
La figure 3 montre le gradient de potentiel, en divers points de l'axe de la cuve, entre la borne haute tension et la cuve. Les ordonnées en trait plein représentent le gradient à la coque particulière à laquelle l'ordonnée est tangente . Le diagramme indique également le gradient aux points entre les coques . Par exemple, l'ordonnée Y montrée en lignes pointillées indique la valeur du gradient de po- tentiel à une distanee X au-dessus du centre de la borne haute tension.
Pour plus de simplicité, les écrans ont été indiqués dans le dessin comme ayant leurs centres coincidant avec le centre de la borne sphérique.
En pratique, il serait avantageux, en général, de si- tuer le centre de la portion hémisphérique de la première coque ou écran un peu au-dessus du centre de la borne, le centre de la seconde coque un peu au-dessus de celui de la première, et ainsi de suite . Ceci a pour effet d'augmenter la longueur des espaces de claquage le long de l'axe ver- tical de la cuve o, sans cela, la distorsion de champ se-
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rait maximum sur la surface externe de chaque coque inter- ne.
Bien qu'on ait décrit ici une réalisation particuliè- re de l'invention, il doit être entendu que c'est à titre d'illustration et que diverses modifications peuvent être apportées aux détails de construction décrits ici, sans sortir du domaine.de l'invention.
REVENDICATIONS ---------------
1. Appareil générateur électrostatique caractérisé en ce qu'il comporte une borne de haute tension avec son support isolant et un transporteur de charges, dans une cuve prévue pour contenir du gaz ou de l'air sous'pression, et un dispositif dans la cuve et entourant ladite borne, le support et le transporteur, pour établir un champ sensi- blement uniforme dans tout l'espace immédiatement autour de la borne, du support et du transporteur.
2. Appareil générateur électrostatique , comprenant une borne de haute tension avec son support isolant et un transporteur de charges, dans une cuve prévue pour conte- nir du gaz ou de l'air sous pression, et un dispositif dans la cuve et entourant la dite borne, le support et le transporteur, pour produire un gradient sensiblement uni- forme entre la cuve et les parties de l'appareil enfermées.
3. Appareil générateur électrostatique, comprenant une borne de haute tension avec son'support isolant et un trans- porteur de charges, dans une cuve prévue pour contenir du gaz ou de l'air sous pression , et un dispositif pour établir des surfaces sensiblement équipotentielles dans l'espace de l'intérieur de la cuve entourant la borne, les éléments de support et le transporteur.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.