Tube à rayons corpusculaires, notamment à rayons cathodiques. La présente invention concerne un tube à rayons corpusculaires, notamment à rayons cathodiques, établi pour projeter les rayons corpusculaires vers l'extérieur, c'est-à-dire à travers les parois des tubes dans l'air am biant, par exemple pour provoquer des réac tions chimiques ou des effets germicides ou de stérilisation.
Jusqu'à présent, les tubes à, rayons ca thodiques ont été établis avec des fenêtres métalliques pour la projection d'un flux d'électrons dans l'air. Déjà en 1894, Lenard a pourvu un tube à vide d'une petite fe nêtre en feuille d'aluminium extrêmement mince contre laquelle les rayons cathodiques furent projetés avec une vitesse suffisante pour la traverser complètement et pour en gendrer à. une distance de quelques milli mètres une phosphorescence dans l'air. A cause de la vélocité insuffisante des élec trons et de la faible quantité que ce tube permettait di'en obtenir, son emploi resta 1i- mité aux laboratoires.
Plus récemment tou tefois, des perfectionnement ont été apportés au tube à rayons cathodiques par 0. Disen- hut (Dissertations de Heidelberg, Mai 1921), Kruger et Utesch (Ann. d. Phys., <B>1925,</B> pp. 113-156) et W. D Coolidge (brevet anglais n 251635) .et d'autres.
Dans le brevet qu'on vient de citer en dernier lieu, on a décrit un tube à rayons cathodiques du type à, ca thode chaude muni d'une fenêtre métalli que, mais pouvant travailler avec quelques cent mille volts de façon que la force de péné tration des rayons cathodiques se trouve de beaucoup multipliée.
D'une manière générale, il faut que la fenêtre métallique par laquelle les rayons cathodiques sont projetés dans ces tubes, soit excessivement mince. Coolidge mentionne dans ledit brevet anglais une feuille de mo lybdène d'une épaisseur de 0,0075 mm et Le nard employa une fenêtre de feuille d'alumi nium d'une épaisseur de 0,0025 mm seule- ment.
Une feuille de métal de cette épaisseur est extrêmement fragile et si elle a une sur face quelque peu appréciable, il faut qu'elle soit supportée par une monture métallique plus solide dans laquelle il faux fixer la feuille d'une manière étanche et qui doit être fixée à son tour dans la partie en verre de l'enveloppe également de manière étanche.
On a éprouvé des difficultés considérables en produisant des fenêtre métalliques de cette nature et leur procédé de fabrication est coûteux et compliqué, ce qui a rendu ces appareils trop chers et a retardé leur em ploi dans bien des cas où l'effet favorable des rayons cathodiques pourrait être utilisé. Par suite de la grande masse de métal dont l'anode est formée, une dégazéification com plète du tube est extrêmement difficile et il était nécessaire de conserver une connexion de pompage pour l'appareil ou de prévoir un tube à absorption contenant du charbon de bois, lequel est immergé pendant le fonc tionnement dans de l'air liquide.
D'après la présente invention, le tube à rayons corpusculaires comporte une fenêtre consistant en une matière vitreuse d'une épaisseur ne dépassant pas quelques milliè mes de centimètre.
La perte d'énergie de rayons cathodiques en passant à travers une matière croît en proportion de la racine carrée de la densité de la matière et de la racine carrée de son épaisseur. Afin d'obtenir une fenêtre aussi mince que nécessaire avec une résistance mé canique suffisante pour résister à la diffé rence de pression entre l'intérieur et l'exté rieur de l'enveloppe, il a été jugé nécessaire jusqu'à présent d'employer des fenêtres mé talliques. On a considéré le molybdène comme le métal se prêtant le mieux à cet emploi grâce à sa ductilité et à sa limite d'élasticité élevée.
La densité du molybdène est toute fois assez élevée de façon que l'énergie per due par suite du passage des rayons catho diques à travers la fenêtre est relativement grande. L'aluminium a une densité beau coup moins grande et la perte d'énergie dans celui-ci est de beaucoup inférieure à celle dans le molybdène, mais la solidité de l'alu minium est faible et il est nécessaire d'em ployer des feuilles plus épaisses. En outre, l'aluminium ne se joint pas facilement au verre ou à d'autres métaux et augmente la difficulté de produire des conditions d'étan chéité dans le tube.
On a cependant trouvé que les rayons ca thodiques peuvent être transmis directe ment à travers la paroi en verre du tube. Le verre ordinaire employé pour l'enveloppe de tubes à haute tension, tels que des tubes à rayons X, a ordinairement une épaisseur d'environ 1 mm, afin d'obtenir la solidité nécessaire pour résister à la manipulation et pour supporter la monture lourde des élec trodes. Au voltage ordinairement employé dans les tubes à rayons X, à savoir un vol tage allant jusqu'à quelques cent mille volts, un verre de cette épaisseur est opaque aux rayons cathodiques.
La présente invention est basée sur la dé couverte que certaines parties de l'enveloppe peuvent être faites d'une épaisseur extrême ment mince, de l'ordre de 0,00625 mm, si elles sont convenablement formées et proté gées, tout en conservant une solidité suffi sante pour résister à la pression atmosphéri que. De petites fenêtres peuvent être faites avec une épaisseur de 0,0025 mm. Une fe nêtre de cette épaisseur transmettra des rayons cathodiques avec une très faible perte d'énergie, par ce que, à un voltage donné, les rayons cathodiques pénètrent à travers un verre d'une épaisseur environ trois fois plus grande que l'épaisseur de molybdène par suite de la différence de densité.
L'absorption d'énergie par l'enveloppe ou la fenêtre du tube varie avec le voltage et di minue avec une augmentation du voltage. Ainsi par exemple avec une fenêtre en verre d'une épaisseur d'environ 0,00625 mm, il faut un potentiel d'environ 26.000 volts entre l'anode et la cathode pour obliger la plupart des rayons cathodiques à pénétrer à travers la fenêtre. A ce voltage, toute l'énergie des électrons est absorbée par le verre, lequel s"échauffe en. conséquence rapidement. Lors que toutefois le voltage appliqué entre les électrodes augmente, la perte d'énergie dans la fenêtre en verre diminue très rapidement.
Avec une vélocité des électrons correspon dant à 60.000 volts, la fenêtre de 0,00625 mm d'épaisseur transmettra les électrons avec une vélocité émergente correspondant à 54.000 volts, la perte dans la fenêtre cor respondant donc seulement à environ 6.000 volts. Ainsi, par- exemple, un verre de la même épaisseur n'absorbera qu'environ 3.000 volts avec un potentiel imprimé de 100.000 volts.
Cette réduction en perte d'énergie dans le verre à des voltages supérieurs provoque une réduction correspondante de l'effet de chauffage du verre et contrairement au ré sultat auquel il faudrait s'attendre, il est possible de soumettre cette fenêtre continuel lement à des rayons cathodiques à ces volta ges plus élevés pendant des périodes de temps considérables sans destruction du verre.
Afin de maintenir l'effet de chauffage des rayons cathodiques sur leur passage à travers le verre à une faible valeur, il est important qu'ils frappent le verre sensible ment perpendiculairement à sa surface, c'est- à-dire à un angle ne dépassant pas 30 de grés par rapport à l'incidence perpendicu laire, attendu que la mesure d'absorption d'énergie du verre augmente rapidement avec l'épaisseur de celui-ci; par exemple, avec une épaisseur de 0,025 mm, le voltage critique nécessaire pour traverser tout justement le verre est d'environ de 52.000 volts.
Comme la perte d'énergie dans le verre diminue aux voltages plus élevés, il est pos sible d'employer des fenêtres plus épaisses dans les tubes à voltage plus élevé sans augmenter matériellement la perte d'énergie dans le verre. Ainsi, pour une épaisseur de 0,025 mm, l'absorption d'énergie dans le verre à des potentiels de 100.000 volts entre les électrodes correspond à une diminution d'environ 16.000 volts entre les électrodes, et à 200.000 volts, il n'y a qu'une perte d'é nergie correspondant à une diminution d'en viron 8.000 volts entre les électrodes.
La fenêtre servant de passage aux rayons cathodiques peut être établie en ramenant vers l'intérieur ou en soufflant vers l'exté rieur une portion restreinte de l'enveloppe pour former une partie en bulbe. La fenêtre obtenue par ramenage vers l'intérieur peut être faite plus mince, pour la même solidité, que la fenêtre obtenue par soufflage vers l'extérieur, attendu que dans le premier cas, la pression atmosphérique exerce un effet de tension au lieu d'un effet de fléchisse ment. Le bulbe obtenu par ramenage vers l'intérieur a cet autre avantage d'être protégé par la partie solide entourante de l'enveloppe.
L'avantage principal de la fenêtre obtenue par soufflage vers l'extérieur est qu'elle peut être amenée plus près de la matière qui doit être traitée.
Les rayons cathodiques peuvent être tirés de la cathode par une anode maintenue à un potentiel élevé et ayant une ouverture par laquelle les électrons passent avec une vélo cité élevée. Cette ouverture est disposée en face de la fenêtre bulbeuse, de telle manière et devrait avoir une grandeur telle que les électrons qui en émanent heurtent la fenêtre sensiblement perpendiculairement à sa sur face.
Si on le désire, la surface intérieure de la fe- nêtrepeut être recouverte d'une pellicule métal lique excessivement mince reliée électrique ment à l'anode de façon à empêcher l'accu mulation d'une charge négative sur la fe nêtre et le danger de décharges entre la fe nêtre en verre et l'anode à charge positive élevée. Ceci n'est cependant pas nécessaire dans la plupart des cas, attendu que l'ioni sation intense produite par les rayons permet à cette charge de s'écouler.
Après avoir traversé la fenêtre, le flux cathodique est dispersé par le choc avec les molécules de gaz dans l'air. Ces électrons déviés peuvent bombarder la surface exté rieure de la fenêtre bulbeuse, dans le cas d'une fenêtre obtenue par ramenage vers l'intérieur, en provoquant un échauffement indésirable et un danger de destruction de la fenêtre si le fonctionnement du tube dure longtemps. Cet échauffement peut être ré duit en recouvrant l'extérieur des parois la térales de la fenêtre bulbeuse d'une matière protectrice d'une épaisseur telle que les électrons 'n'y pénètrent pas facilement jus qu'au verre. Dans ce but on peut appliquer -une couche -de ,gomme-laque au verre.
Cette couche protectrice sert aussi à renforcer mé caniquement le bulbe de verre extrêmement mince.
Des formes d'exécution de l'objet de l'in vention sont représentées, à titre d'exemple, au dessin annexé, dans lequel: La fig. 1 montre en élévation, partie en coupe, une première forme d'exécution d'un tube à rayons cathodiques; La fig. 2 est une vue fragmentaire simi laire à - la fig. 1 d'une autre forme d'exécu tion avec une variante d'anode; La fig. 3 est une coupe d'une autre forme d'exécution de fenêtre.
Le tube représenté à la fig. 1 comporte une enveloppe en verre 1 ayant une paroi relativement épaisse et contenant une ca thode filamentaire 2 et une anode 3. L'extré mité de cathode 4 du tube a une tige de verre rentrante 5 se terminant en un socle 6 dans lequel sont scellés par fusion les fils d'amenée 7 de la cathode.
L'enveloppe peut être composée de tout verre approprié, tel que du verre pyrex ou à chaux, mais de préférence d'un verre plus opaque aux rayons X qui peuvent être en gendTés dans le tube, tel que du verre de plomb ou du verre de borosilicate connu dans le commerce sous la désignation 702-P. Les fils d'amenée, lorsqu'on emploie du verre 702-P, peuvent être en tungstène ou en mo- lybdène.
La cathode 2 peut être établie en toute matière appropriée émettrice d'électrons, mais est faite de préférence en tungstène ou en tantale, en forme d'une bobine montée dans une coupe à foyer 8, comme il est d'usage dans les tubes à rayons X.
Un tube-écran protecteur électrostatique 9 entoure la cathode et protège l'endroit de scellement contre des percements. Il empê- che aussi l'émission par points de la ca thode. Ce tube protecteur peut être établi en forme d'un tube métallique fendu, en nickel, métal monel, ferrochrome ou autre métal, et est maintenu en place par frotte ment sur la tige rentrante 5. Il va de soi que d'autres méthodes pour le supporter peu vent être employées.
L'anode consiste en un tube 10, de pré férence en cuivre, et est pourvue d'un fil d'amenée 11 scellé de façon étanche en 12 dans la paroi de l'enveloppe. Elle est sup portée dans l'enveloppe par un collier fendu 13 en ferrochrome ou autre métal appro prié, qui est emmanché dans l'enveloppe de verre et est fixé à- l'anode de toute manière appropriée, par exemple par des chevilles, par des vis, par frottement ou par soudure. L'axe du tube anodique 10 est en alignement avec l'axe du flux d'électrons émanant de la cathode de façon que les électrons tirés par l'anode la traversent et soient projetés con tre la fenêtre 14. L'anode tubulaire sert aussi d'écran protecteur pour empêcher les électrons de venir heurter des portions indé sirables de l'enveloppe.
A cet effet, l'extré mité 15 du tube anodique 10 est évasée.
Le diamètre de la partie 16 de l'enveloppe 1 près de l'anode est réduit à l'endroit où la fenêtre est formée. De préférence, la fenêtre est formée dans l'extrémité fermée d'une pe tite portion de tube rentrante qui est fixée par fusion à la partie 16 de l'enveloppe. En formant la fenêtre, on n'a qu'à chauffer l'extrémité fermée de ladite portion de tube, par exemple au chalumeau, et de provoquer une aspiration à l'intérieur de l'enveloppe de façon que le verre plastique soit attiré vers l'intérieur, l'aspiration et le chauffage étant continués jusqu'à ce qu'on ait obtenu la grandeur et l'épaisseur nécessaires de la partie en bulbe.
Comme la partie centrale de l'extrémité fermé du tube est chauffée à la tempéra ture la plus élevée, elle devient la partie la plus mince du bulbe, l'épaisseur des pa rois de celle-ci augmentant graduellement à partir de cette partie centrale vers le bord extérieur de la portion en bulbe où il y a le joint avec l'extrémité de la partie tubu laire 16 de l'enveloppe. L'extrémité bulbeuse de l'enveloppe se trouve ainsi renforcée, tan dis que la partie centrale, par laquelle passent les rayons cathodiques, peut être très faible.
La fenêtre du bulbe peut être réduite en outre à l'épaisseur désirée par corrosion avec une faible solution d'acide fluorhydri que. Une méthode commode pour déterminer l'épaisseur de la fenêtre est celle qui est basée sur l'emploi du voltage nécessaire pour faire passer les rayons cathodiques par la fenêtre en verre.
Ainsi, si la fenêtre est re- couverte d'un côté d'une matière qui de vient fluorescente par des rayons cathodi ques et que son côté opposé soit placé en face de la fenêtre d'un tube à rayons cathodi- quE s, le voltage requis entre les électrodes du tube pour provoquer la fluorescence du revêtement de la fenêtre donne une mesure pour l'épaisseur du verre.
L'extrémité extérieure 17 de l'enveloppe peut être élargie afin de s'adapter à l'éten due de la portion bulbeuse 14 qui est d'un diamètre un peu plus grand que l'ouverture 18 de l'anode tubulaire 3 de façon que toutes les parties de la fenêtre en face de l'ouverture 18 soient situées sensiblement perpendiculairement à la direction de passage des rayons cathodiques et que par consé quent l'épaisseur du verre traversée par les électrons soit sensiblement uniforme.
Si les électrons pouvaient heurter le verre oblique- ment à la surface de la partie bulbeuse, la perte d'énergie se produisant dans l'épais seur plus grande du verre provoquerait un échauffement indésirable avec risque de des truction de la fenêtre ou limiterait la pé riode de travail du tube.
La fenêtre 14 devrait être composée d'un verre solide résistant à la chaleur et ayant une faible densité,.tel que du verre pyrex, bien qu'on puisse utiliser d'autres verres, du quartz ou de la porcelaine non poreuse ou une autre matière quelconque de ce genre étant englobée dans la désignation de ma tière vitreuse .
Dans la forme d'exécution suivant la fig. 2, l'anode tubulaire 3 est rem placée par une anode en forme de coupe 19 avec une ouverture 20 par laquelle passent les rayons cathodiques. L'anode est supportée par une douille 21 s'engageant dans la pa roi intérieure de l'enveloppe. La surface in térieure de la fenêtre 14 peut être revêtue d'une pellicule excessivement mince de ma tière conductrice 22 qui est reliée électrique ment à l'anode 19 de façon qu'une accumu lation de charge négative sur la fenêtre par suite de choc d'électrons sur elle soit em pêchée. Si une. pareille charge négative pou vait s'y accumuler, elle pourrait provoquer une décharge vers l'anode et par consé quent une destruction de la fenêtre.
L'extérieur de la partie bulbeuse 14, à l'exception de l'extrémité intérieure par la quelle passent les électrons, est recouvert d'une matière de renforcement et de protec tion 23 pour empêcher tout échauffement inadmissible du verre par des électrons de dispersion déviés contre cette partie.
Dans la fig. 3, la fenêtre bulbeuse 24 est formée vers l'extérieur des parois latérales de l'enveloppe. Cette forme, bien qu'elle ne soit pas aussi solide que la fenêtre ramenée vers l'intérieur, est satisfaisante pour des tubes à haute tension dans lesquels on peut employer des fenêtres plus épaisses. Elle présente l'avantage que la fenêtre peut être rapprochée davantage de la matière à trai ter et être soumise à un bombardement plus faible par déviation d'électrons dans l'air.
Un manchon protecteur 25 entoure la fe nêtre bulbeuse et la protège contre des chocs mécaniques. Ce protecteur peut être com posé de verre ou d'une autre matière appro priée, telle que du métal, de la fibre, de la bakélite, etc.
Les électrodes devraient être complète ment dégazées ou libérées de gaz comme c'est en général le cas dans la pratique des tubes à rayons X. Cette expulsion de gaz peut être réalisée en chauffant les parties métal- liques des électrodes jusqu'au rouge dans un four à vide avant leur assemblage dans l'en veloppe en vue d'effectuer l'expulsion de la majeure partie des gaz enfermés dans les électrodes.
Après l'assemblage, les électrodes et par ties associées sont fixées dans le tube par fusion, un vide élevé est créé dans celui-ci au moyen d'une pompe à vide et une expul sion finale de gaz hors des électrodes est effectuée par un bombardement électronique et un chauffage par induction à haute fré quence, pendant que le tube est raccordt@ à la pompe vide. Après cette expulsion de gaz finale, le tube peut être détaché de la pompe par fusionnement et grâce à la masse de métal relativement faible dans celui-ci, le vide y est conservé sans l'emploi de ma tière d'absorption de gaz dans le tube et sans l'emploi d'air liquide.
Si on le désire, un gaz monoatomique d'une faible pression de 1 à 10 microns, tel que du néon, peut être-introduit dans l'en veloppe.
L'invention a été décrite en particulier en connexion avec un tube à rayons cathodi ques ou à ions négatifs, mais il va de soi que l'invention s'applique également à un tube à ions positifs.