Générateur de courant continu haute tension La présente invention a pour objet un généra teur de courant continu haute tension, comportant des éléments redresseurs à cathode chauffante et monté en multiplicateur de tension.
On sait que l'on produit à l'heure. actuelle des courants de tension continue de valeur élevée par les deux procédés habituels suivants - le redressement d'une tension alternative de valeur élevée à l'aide d'un élément redresseur cons titué en général par kénotron; - l'emploi de machines électrostatiques de dif férents types transformant directement l'énergie mé canique en énergie électrique haute tension.
L'avantage de la première solution est constitué par le fait qu'elle met en oeuvre un matériel purement statique ; une amélioration de ce procédé consiste à prendre une source de tension alternative de valeur beaucoup plus faible que la tension continue que l'on désire obtenir et à recourir à une combinaison de condensateurs et d'éléments redresseurs bien connue sous le nom de multiplicateur de tension et compre nant deux colonnes de condensateurs.
Dans un multiplicateur de tension, si on suppose que le débit continu est égal à zéro, la tension conti nue V obtenue en régime permanent est donnée par la formule V=U,Ny2, N étant le nombre total de redresseurs employés (ce nombre N est un nombre pair si l'on veut éviter que la tension continue obtenue présente des ondula tions importantes) et Ue étant la tension alternative efficace appliquée au multiplicateur.
Dans ce cas, si la tension Ue est appliquée à la base de la colonne de gauche, la tension continue est prélevée au sommet de la colonne de droite et inversement.
Les avantages d'un tel type de générateur sont les suivants - utilisation de redresseurs de faible tension inverse ; - répartition régulière de la tension le long des colonnes constituant généralement l'appareil ; - impédance plus faible et tension plus faible de la source alternative.
Cette dernière considération est d'ailleurs essen tielle dans le cas où la source alternative n'est pas constituée par un transformateur raccordé au réseau général électrique de distribution, mais par un gé nérateur de fréquence plus élevée comprise, par exemple, entre 1000 Hz et 1 MHz.
Par contre, un générateur du type précité pré sente un certain nombre d'inconvénients - le montage est plus compliqué que celui d'un simple redresseur et fait apparaître, en particulier, la nécessité d'employer autant de condensateurs que d'éléments redresseurs ; - l'emploi comme redresseurs d'éléments secs, par exemple du type au sélénium, entraîne un prix de revient important ; - l'emploi de tubes à vide (valves ou kéno trons) entraîne la présence d'un transformateur d'iso lement destiné à fournir un enroulement de chauffage séparé par tubes à vide utilisés, le dernier tube des colonnes nécessitant par là même un isolement très important.
Le générateur de courant haute tension faisant l'objet de l'invention est caractérisé en ce qu'il com prend une source de courant utilisée pour le chauf fage de chaque cathode, chaque source étant consti tuée par un élément conducteur d'un câble formant le secondaire d'un transformateur dont le primaire est parcouru par un courant alternatif, ce câble com portant une âme conductrice et au moins une gaine conductrice coaxiale avec ladite âme, chaque élément conducteur étant isolé des éléments conducteurs voi sins par une gaine diélectrique. Le transformateur assure à la fois le chauffage des éléments redresseurs utilisés dans le montage multiplicateur et les liaisons capacitives entre ces éléments.
L'emploi d'un tel transformateur permet donc de supprimer les condensateurs utilisés ordinairement. Le dessin annexé représente, schématiquement et à titre d'exemple, deux formes d'exécution du gé nérateur selon l'invention et un schéma de principe. La fig. 1 montre le schéma de principe. La fig. 2 est une vue en perspective de la pre mière forme d'exécution.
La fig. 3 est une vue en perspective de la deuxième forme d'exécution. Sur la fig. 1, on a représenté le schéma d'un multiplicateur de tension du type classique fournis sant une tension négative par rapport à la terre. Ce multiplicateur comprend deux colonnes de con densateurs 1 et 2 montés en série.
Des conducteurs 3 reliés aux armatures des con densateurs 1 et des conducteurs 4 reliés aux arma tures des condensateurs 2 sont réunis par des élé ments redresseurs 5. Une source 6 de tension alter native est utilisée pour l'alimentation de l'ensemble qui est relié à la terre en 7 et débite un courant négatif en 8.
Dans la première forme d'exécution représentée à la fig. 2, le générateur à haute tension est monté en multiplicateur de tension à six étages fournissant une tension négative par rapport à la terre et cor respondant au schéma classique de la fig. 1, mais comportant un transformateur spécial.
Un circuit magnétique 9 est parcouru par un flux alternatif créé à l'aide d'un enroulement 10 relié à une source de tension alternative 11, constituée par exemple par le secteur.
Deux câbles 12 et 13, d'un type particulier qui sera décrit ci-après, font chacun au moins un demi tour autour du circuit magnétique 9.
Les câbles 12 et 13 sont fabriqués selon une des techniques communément utilisées pour la réalisa tion de câbles coaxiaux ;ils possèdent une âme con ductrice 14 et une série de gaines conductrices co axiales 15 isolées les unes des autres et de l'âme 14 par des gaines diélectriques 16. Deux gaines con ductrices 15 successives, séparées par une gaine di électrique 16 constituent un condensateur cylindrique. Ces divers condensateurs sont disposés en série par la constitution même du câble et ils jouent respecti vement dans chaque câble le rôle des condensateurs 1 et 2 de la fig. 1.
Si on considère dans chaque câble 12 et 13 les deux extrémités d'une même gaine conductrice 15, entre ces deux points il existe une différence de potentiel du fait que ladite gaine 15 fait au moins un demi-tour autour du circuit magnétique 9 et qu'ainsi elle forme une boucle parcourue par un flux d'induction alter natif.
Cette différence de potentiel est utilisée pour le chauffage d'éléments redresseurs 17 tels que des valves ou des kénotrons.
Les éléments redresseurs 17, qui sont les homo logues des éléments 5 de la fig. 1, sont disposés con formément au schéma de cette fig. 1. Les deux bornes de l'élément chauffant de chaque cathode des éléments redresseurs 17 sont respectivement reliées aux deux extrémités de la gaine conductrice 15 (ou de l'âme 14) correspondante, les deux bornes étant ainsi alimentées en courant alternatif, tout en étant portées au potentiel haute tension de la cathode cor respondante.
La seconde forme d'exécution représentée à la fi-. 3 est semblable à celle décrite précédemment, mais le générateur est destiné à fournir une tension positive par rapport au potentiel de la terre. Les éléments utilisés sur les schémas des fig. 2 et 3 sont les mêmes, ils portent les mêmes numéros de réfé rence, seul le mode de connexion est différent.
Si chaque colonne de redressement doit com porter 2 éléments, chaque câble sera constitué, outre l'âme 14, par 2 conducteurs 15 cylindriques superposés. Ceux-ci sont de longueur décroissante, leurs extrémités respectives se trouvant dans les co lonnes de redressement à la hauteur prévue pour l'alimentation du filament de l'élément 17 corres pondant.
Les avantages d'un tel dispositif sont les sui vants : le flux circulant dans le circuit magnétique 9 est judicieusement déterminé de telle sorte qu'il existe entre les deux extrémités du conducteur central 14 de chacun des deux câbles, ainsi qu'entre les extré mités respectives des conducteurs cylindriques super posés 15, une tension égale à la tension d'alimenta tion du filament des éléments 17 ; ceux-ci sont donc alimentés normalement en tension de chauffage.
Si l'on considère deux éléments 17 successifs chauffés par le même câble, il est facile de voir que les diffé rences du potentiel moyen de deux gaines conduc trices 15 successives assurant le chauffage sont égales à 2'y 2 Ue, UP étant la tension alternative efficace appliquée au multiplicateur.
Il suffit donc de prévoir entre ces deux gaines conductrices successives 15 une couche d'isolant 16 suffisante pour résister à une telle tension. La pré sence de cette gaine diélectrique 16 permet de réa liser, en outre, un condensateur cylindrique (avec les deux gaines conductrices 15 qui l'entourent) qui joue le même rôle que les condensateurs 1 (ou 2) de la fig. 1.
En d'autres termes, chaque câble 12 ou 13 est constitué par une succession de tubes isolants 16 et conducteurs 14 ou 15 assurant une répartition régu lière de la tension depuis le conducteur central 14 jusqu'à la périphérie, la capacité existant entre les différents éléments conducteurs remplaçant les con ducteurs de liaison du montage connu de la fig. 1.
Les gaines conductrices 15 les plus extérieures constituent, en outre, la deuxième armature, d'une part, d'un condensateur 18 alimentant le dispositif en courant alternatif à partir d'une source 19 et, d'autre part, d'un condensateur 20 relié à la masse en 21.
C'est la raison pour laquelle on a indiqué pré cédemment que si N est le nombre total des élé ments 17, chaque câble est constitué par 2 conduc teurs cylindriques 15 en plus du conducteur central 14, c'est-à-dire un conducteur de plus que le nombre d'éléments 17 de chaque colonne .
On a mentionné précédemment que dans le trans formateur de chauffage du générateur décrit, chacun des deux câbles 12 et 13 ne fait qu'un demi-tour autour du circuit magnétique 9 (boucle unique). Comme la plupart des éléments redresseurs commu nément utilisés demandent une tension de chauffage de plusieurs volts, on peut être amené à augmenter le nombre de boucles que chacun des câbles effectue autour du circuit magnétique 9.
On peut également avoir recours à deux trans formateurs séparés, chaque transformateur ayant pour secondaire l'un des câbles.
A titre indicatif, on mentionne qu'on peut fa briquer un câble du type des câbles 12 et 13 en enroulant en hélice sur un conducteur central rigide constitué, par exemple, par un tube de cuivre, un ru ban en polyéthylène suffisamment large et avec un chevauchement suffisant, de telle sorte que la ligne de fuite soit importante.
Sur ce ruban en polyéthylène, on emmanche une tresse métallique sur laquelle, à nouveau, est enroulée une seconde hélice en polyéthylène et ainsi de suite.
D'autres formes d'exécution sont possibles. On peut, par exemple, enrouler en hélice une tresse mé tallique sur des tubes en une matière diélectrique.
Un générateur de courant continu haute tension du type décrit peut être utilisé, par exemple, dans les installations suivantes - dispositif de dépoussiérage électrostatique ; - dispositif de peinture électrostatique ; - dispositif accélérateur de particules nuclaires ; - dispositif générateur de rayons X. Ces applications sont données, bien entendu, à titre indicatif et non limitatif.
Dans le cas d'un dispositif générateur de rayons X, le conducteur central 14 de l'un des câbles du transformateur de chauffage peut, en outre, servir au chauffage de la cathode du tube à rayons X, soit di rectement, soit à l'aide d'un autotransformateur de réglage.
High voltage direct current generator The present invention relates to a high voltage direct current generator, comprising rectifier elements with a heating cathode and mounted as a voltage multiplier.
We know that we produce on time. current of high-value direct voltage currents by the following two usual methods - rectifying a high-value alternating voltage with the aid of a rectifying element generally constituted by a kenotron; - the use of electrostatic machines of different types directly transforming mechanical energy into high voltage electrical energy.
The advantage of the first solution is constituted by the fact that it uses purely static equipment; an improvement of this process consists in taking an alternating voltage source of much lower value than the direct voltage which one wishes to obtain and to resort to a combination of capacitors and rectifier elements well known under the name of voltage multiplier and comprising two columns of capacitors.
In a voltage multiplier, if it is assumed that the continuous flow is equal to zero, the direct voltage V obtained in steady state is given by the formula V = U, Ny2, N being the total number of rectifiers employed (this number N is an even number if we want to prevent the DC voltage obtained from exhibiting large ripples) and Ue being the effective AC voltage applied to the multiplier.
In this case, if the voltage Ue is applied to the base of the left column, the DC voltage is taken from the top of the right column and vice versa.
The advantages of such a type of generator are - use of rectifiers of low reverse voltage; - Regular distribution of voltage along the columns generally constituting the apparatus; - lower impedance and lower voltage of the AC source.
This last consideration is also essential in the case where the alternating source is not constituted by a transformer connected to the general electrical distribution network, but by a generator of higher frequency included, for example, between 1000 Hz and 1 MHz.
On the other hand, a generator of the aforementioned type has a certain number of drawbacks - the assembly is more complicated than that of a simple rectifier and reveals, in particular, the need to use as many capacitors as there are rectifier elements; - The use as rectifiers of dry elements, for example of the selenium type, entails a high cost price; - the use of vacuum tubes (valves or keno trons) entails the presence of an isolation transformer intended to supply a heating winding separated by the vacuum tubes used, the last tube of the columns therefore requiring isolation Very important.
The high voltage current generator forming the subject of the invention is characterized in that it comprises a current source used for heating each cathode, each source being constituted by a conductive element of a cable forming the secondary of a transformer whose primary is traversed by an alternating current, this cable comprising a conductive core and at least one conductive sheath coaxial with said core, each conductive element being isolated from the adjacent conductive elements by a dielectric sheath. The transformer ensures both the heating of the rectifier elements used in the multiplier assembly and the capacitive connections between these elements.
The use of such a transformer therefore makes it possible to eliminate the capacitors commonly used. The appended drawing represents, schematically and by way of example, two embodiments of the generator according to the invention and a block diagram. Fig. 1 shows the block diagram. Fig. 2 is a perspective view of the first embodiment.
Fig. 3 is a perspective view of the second embodiment. In fig. 1, there is shown the diagram of a voltage multiplier of the conventional type supplied sant a negative voltage with respect to the earth. This multiplier comprises two columns of capacitors 1 and 2 mounted in series.
Conductors 3 connected to the armatures of the capacitors 1 and conductors 4 connected to the armatures of the capacitors 2 are joined by rectifying elements 5. A source 6 of alternating voltage is used to supply the assembly which is connected. to earth at 7 and delivers a negative current at 8.
In the first embodiment shown in FIG. 2, the high-voltage generator is mounted as a six-stage voltage multiplier providing a negative voltage with respect to the earth and corresponding to the conventional diagram of FIG. 1, but with a special transformer.
A magnetic circuit 9 is traversed by an alternating flux created by means of a winding 10 connected to an alternating voltage source 11, constituted for example by the sector.
Two cables 12 and 13, of a particular type which will be described below, each make at least half a turn around the magnetic circuit 9.
The cables 12 and 13 are manufactured according to one of the techniques commonly used for the production of coaxial cables; they have a conductive core 14 and a series of coaxial conductive sheaths 15 isolated from each other and from the core 14 by dielectric sheaths 16. Two successive conductive sheaths 15, separated by a di-electric sheath 16 constitute a cylindrical capacitor. These various capacitors are arranged in series by the very constitution of the cable and they play the role of capacitors 1 and 2 of FIG. 1.
If we consider in each cable 12 and 13 the two ends of the same conductive sheath 15, between these two points there is a potential difference due to the fact that said sheath 15 makes at least half a turn around the magnetic circuit 9 and that 'thus it forms a loop traversed by a flux of induction alter native.
This potential difference is used for heating rectifier elements 17 such as valves or kenotrons.
The rectifying elements 17, which are homologous to the elements 5 of FIG. 1, are arranged in accordance with the diagram of this FIG. 1. The two terminals of the heating element of each cathode of the rectifier elements 17 are respectively connected to the two ends of the corresponding conductive sheath 15 (or of the core 14), the two terminals thus being supplied with alternating current, while at the same time being brought to the high voltage potential of the corresponding cathode.
The second embodiment shown in fi-. 3 is similar to that described above, but the generator is intended to provide a positive voltage with respect to the potential of the earth. The elements used in the diagrams of fig. 2 and 3 are the same, they have the same reference numbers, only the connection mode is different.
If each rectifying column must comprise 2 elements, each cable will be constituted, in addition to the core 14, by 2 superimposed cylindrical conductors 15. These are of decreasing length, their respective ends being in the straightening columns at the height provided for the supply of the filament of the corresponding element 17.
The advantages of such a device are as follows: the flux circulating in the magnetic circuit 9 is judiciously determined so that there exists between the two ends of the central conductor 14 of each of the two cables, as well as between the ends respective mites of the superposed cylindrical conductors 15, a voltage equal to the supply voltage of the filament of the elements 17; these are therefore normally supplied with heating voltage.
If we consider two successive elements 17 heated by the same cable, it is easy to see that the differences in the average potential of two successive conducting sheaths 15 providing the heating are equal to 2'y 2 Ue, UP being the voltage efficient alternative applied to the multiplier.
It is therefore sufficient to provide between these two successive conductive sheaths 15 an insulating layer 16 sufficient to withstand such a voltage. The presence of this dielectric sheath 16 also makes it possible to create a cylindrical capacitor (with the two conductive sheaths 15 which surround it) which plays the same role as the capacitors 1 (or 2) of FIG. 1.
In other words, each cable 12 or 13 is formed by a succession of insulating tubes 16 and conductors 14 or 15 ensuring a regular distribution of the voltage from the central conductor 14 to the periphery, the capacity existing between the different conductive elements replacing the connecting conductors of the known assembly of FIG. 1.
The outermost conductive sheaths 15 also constitute the second armature, on the one hand, of a capacitor 18 supplying the device with alternating current from a source 19 and, on the other hand, of a capacitor 20 connected to ground at 21.
This is the reason why it was indicated previously that if N is the total number of the elements 17, each cable consists of 2 cylindrical conductors 15 in addition to the central conductor 14, that is to say a conductor more than the number of elements 17 in each column.
It was mentioned previously that in the generator heater transformer described, each of the two cables 12 and 13 only makes a U-turn around the magnetic circuit 9 (single loop). As most of the rectifying elements commonly used require a heating voltage of several volts, it may be necessary to increase the number of loops that each of the cables makes around the magnetic circuit 9.
Two separate transformers can also be used, each transformer having one of the cables as a secondary.
As an indication, it is mentioned that one can make a cable of the type of cables 12 and 13 by winding in a helix on a rigid central conductor constituted, for example, by a copper tube, a sufficiently wide polyethylene band and with sufficient overlap, so that the creepage line is large.
On this polyethylene tape, we put a metal braid on which, again, a second polyethylene helix is wound and so on.
Other embodiments are possible. It is possible, for example, to wind a metal braid in a helix on tubes made of a dielectric material.
A high voltage direct current generator of the type described can be used, for example, in the following installations - electrostatic dust collector; - electrostatic painting device; - nuclear particle accelerator device; - X-ray generator device. These applications are of course given as an indication and not as a limitation.
In the case of an X-ray generator device, the central conductor 14 of one of the cables of the heating transformer can, in addition, serve for heating the cathode of the X-ray tube, either directly or at the same time. 'using a tuning autotransformer.