GOUFFAUX JACQUES (BE)
PAULUS ALAIN (BE)
GOUFFAUX JACQUES (BE)
| US4355276A | 1982-10-19 | |||
| US4182967A | 1980-01-08 |
| 1. | Dispositif d'alimentation d'un filament de tube à rayon X comprenant : a) un circuit primaire agencé à recevoir de t'énergie électrique d'une source d'énergie et à transformer t'énergie électrique reçue en une autre énergie ; b) des moyens de transmission agencés pour transmettre l'autre énergie du circuit primaire au circuit secondaire ; et c) un circuit secondaire agencé à transformer l'autre énergie en énergie électrique ; caractérisé en ce que I'autre énergie est de t'énergie mécanique et les moyens de transmission comprennent un organe mobile agencé à transmettre l'énergie mécanique du circuit primaire au circuit secondaire. |
| 2. | Dispositif suivant la revendication 1 dans lequel l'organe mobile est agencé à être déplacé selon une direction axiale. |
| 3. | Dispositif suivant la revendication 2, comprenant un premier organe élastique, en particulier un premier ressort, entre le circuit primaire et une première extrémité de l'organe mobile et un deuxième organe élastique, en particulier un deuxième ressort, entre une deuxième extrémité de l'organe mobile et le circuit secondaire. |
| 4. | Dispositif suivant la revendication 3, comprenant un organe magnétique agencé à maintenir l'organe mobile en sustentation par rapport au circuits primaire et secondaire. |
| 5. | Dispositif suivant l'une des revendication précédentes, comprenant une bobine primaire agencée à une extrémité de l'organe mobile et une bobine secondaire à l'autre extrémité de l'organe mobile. |
| 6. | Dispositif suivant la revendication 5, dans lequel le premier circuit comprend un premier organe magnétique, en particulier un premier aimant et le deuxième circuit comprend un deuxième organe magnétique, en particulier un deuxième aimant. |
| 7. | Dispositif suivant la revendication 1, dans lequel l'organe mobile est agencé à être mis en rotation. |
| 8. | Ensemble comprenant un tube à rayon X et le dispositif d'alimentation suivant l'une des revendications précédentes. |
Un tube à rayons X (figure 1) est constitué de deux électrodes, I'anode 10 et la cathode 12, placées dans une enveloppe 14 soumise à un vide poussé. La cathode 12 comporte un dispositif permettant d'obtenir une température locale très élevée (dans la plupart des cas il s'agit d'un filament 16 échauffé par un courant électrique).
Cette cathode étant portée à un potentiel négatif très élevé par rapport à I'anode, par exemple de l'ordre de 300 à 450 kV, la température élevée permet aux électrons 18 d'acquérir suffisamment d'énergie pour être captés par le champ électrique et accélérés vers I'anode. Lorsqu'ils I'atteignent, leur décélération fournit une énergie qui peut soit se transformer en chaleur, soit générer des photons X.
II est très rare, dans ce genre de dispositif, que la cathode soit au potentiel de la terre. En effet, chaque fois que c'est possible, I'anode est fixée au potentiel de la terre afin de faciliter son refroidissement. Si la tension d'accélération est trop importante (par exemple supérieure à 300kV), on utilisera plutôt une configuration bipolaire, c'est-à-dire que I'anode et la cathode seront portées à un potentiel respectivement positif et négatif par rapport à la terre afin de
limiter les contraintes diélectriques. Dans les deux cas, le filament se trouve à la haute tension, par exemple de l'ordre de 300 à 450 kV.
Différentes méthodes sont utilisées pour lui fournir les quelques watt nécessaires pour le porter à température. La plupart consistent à utiliser un transformateur qui, s'il ne doit fournir qu'une puissance assez faible, présente l'inconvénient de devoir être isolé entre le circuit primaire et le circuit secondaire. Ce composant est donc particulièrement encombrant.
L'invention a pour but de remédier à ce problème d'encombrement, en proposant un dispositif d'alimentation d'un filament de tube à rayon X comprenant, comme dans le dispositif connu à transformateur un circuit primaire agencé à recevoir de t'énergie électrique d'une source d'énergie et à transformer l'énergie électrique reçue en une autre énergie ; des moyens de transmission agencés pour transmettre l'autre énergie du circuit primaire au circuit secondaire ; et un circuit secondaire agencé à transformer l'autre énergie en énergie électrique. Dans le dispositif suivant l'invention, I'autre énergie est de t'énergie mécanique et les moyens de transmission comprennent un organe mobile agencé à transmettre t'énergie mécanique du circuit primaire au circuit secondaire.
En transformant t'énergie électrique en énergie mécanique et ensuite à nouveau en énergie électrique, à I'aide des circuits primaire et secondaire et de l'organe mobile, un dispositif beaucoup moins encombrant peut être réalisé. C'est l'organe mobile qui forme l'isolation entre les circuits primaire et secondaire.
Dans une forme de réalisation préférentielle du dispositif selon l'invention, I'organe mobile est agencé à être déplacé selon une direction axiale. Ceci est en particulier réalisé en prévoyant un premier organe élastique, en particulier un premier ressort, entre le circuit primaire et une première extrémité de l'organe mobile et un deuxième organe élastique, en particulier un deuxième ressort, entre une
deuxième extrémité de l'organe mobile et le circuit secondaire. II s'est avéré que ces éléments constituent des moyens simples et efficaces permettant d'obtenir une bonne transmission de l'énergie.
Selon une alternative, le dispositif comprend un organe magnétique agencé à maintenir l'organe mobile en sustentation par rapport aux circuits primaire et secondaire. Ceci permet de réduire les pertes dues au frottement de l'organe mobile par rapport aux circuits primaire et secondaire.
Le dispositif comprend de préférence une bobine primaire agencée à une extrémité de l'organe mobile et une bobine secondaire à l'autre extrémité de l'organe mobile. Les bobines ayant un poids relativement peu important, cette mesure permet d'obtenir un organe mobile léger, ce qui permet d'obtenir une fréquence de résonance du système relativement élevée.
Dans une forme de réalisation particulière, le premier circuit comprend un premier organe magnétique, en particulier un premier aimant et le deuxième circuit comprend un deuxième organe magnétique, en particulier un deuxième aimant. Un champs magnétique est ainsi créé, ce qui permet de générer un mouvement de va et vient de l'organe mobile, lorsque les bobines sont alimentées par courant alternatif.
Au lieu de prévoir un organe mobile dans une direction axiale, il peut être prévu un organe mobile agencé à être mis en rotation.
L'invention se rapporte également à un ensemble comprenant un tube à rayon X et le dispositif d'alimentation suivant l'invention.
Des défaits concernant l'invention sont décrits ci-après faisant référence aux dessins.
La figure 1 est une vue en coupe d'un tube à rayon X.
La figure 2 est une vue en coupe du dispositif d'alimentation suivant une forme de réalisation préférentielle de l'invention.
La figure 3 est un schéma électrique équivalent du dispositif selon l'invention.
Les figures 4 et 5 sont des vues en coupe à échelle égale illustrant le gain de place obtenu avec le dispositif selon l'invention (figure 5) par rapport à un dispositif d'alimentation classique utilisant un transformateur (figure 4).
La figure 6 est une vue en coupe du dispositif d'alimentation suivant la figure 2 avec le tube à rayon X suivant la figure 1 à t'état assemblé.
Le dispositif selon l'invention (voir figure 2) comporte deux circuits magnétiques, un circuit primaire 20 situé du côté basse tension, et un circuit secondaire 22 situé à la haute tension. Ils sont destinés, à I'aide d'un ou plusieurs aimants 24, 25, à générer une induction magnétique fixe dans un entrefer. Ces deux circuits magnétiques sont fixés de façon rigide au châssis de I'appareil. Un bobinage primaire 26 et un bobinage secondaire 28 sont prévus sur un organe mobile isolant 30, et sont disposés de façon à être soumis à l'induction générée respectivement dans les entrefers primaire et secondaire. L'organe mobile est maintenu entre les deux circuits magnétiques par des ressorts 32 et 34, ou tout autre organe exerçant une force d'attraction ou de répulsion suivant la direction axiale de cet organe mobile.
Lorsqu'on applique une tension alternative aux bornes du bobinage primaire 26, il y apparaît un courant. Ce bobinage étant placé dans un champ magnétique constant créé par les aimants 24, il va être soumis à une force proportionnelle à l'induction magnétique et au courant (force de Laplace). Cette force alternative va faire osciller l'organe mobile 30 et comprimer alternativement les deux ressorts 32,
34. Ce mouvement étant transmis au bobinage secondaire, les spires de ce bobinage vont voir varier le flux magnétique qui les traverse, ce qui, de par la loi de Lenz, va générer une force électromotrice dans le bobinage. Si l'on y connecte une charge résistive, elle va être parcourue par un courant et donc dissiper de la puissance. La charge résistive est reliée au bobinage par l'intermédiaire d'un fil souple permettant de résister aux vibrations dues au mouvement de l'organe mobile.
On voit ainsi que ce système permet de transmettre une puissance électrique entre deux points situés à des potentiels différents.
II suffit pour cela que l'organe mobile soit suffisamment long et dans un matériau adapté (par exemple de la résine époxy) de façon à résister à la tension électrique existant entre le primaire et le secondaire.
La figure 4 illustre un transformateur de filament classique.
II est constitué d'un circuit magnétique 46 entouré par un bobinage primaire 42 et un bobinage secondaire 44. Le circuit magnétique étant conducteur, il doit obligatoirement être fixe au potentiel du bobinage primaire, c'est-à-dire la terre. Le bobinage secondaire, étant au potentiel de la haute tension, doit être isole de ce circuit magnétique 46 d'une distance d qui dépend de la valeur de cette haute tension. On voit clairement sur cette figure que la longueur totale du système est supérieure à 3 fois la distance d : en effet, il faut d'abord une longueur d'isolement d entre le bobinage primaire et le bobinage secondaire, et ensuite il est nécessaire d'isoler les deux extrémités du bobinage secondaire par rapport au circuit magnétique 46, d'où deux longueurs d'isolement d supplémentaires. Dans le cas de la présente invention, une seule longueur d'isolement d suffit, comme illustré à la figure 5. II en résulte donc que le dispositif suivant l'invention est beaucoup moins encombrant que le système classique avec transformateur.
En régime sinusoïdal linéaire, t'équation électrique des bobines peut s'écrire comme suit, les indices p et s se rapportant respectivement aux bobines primaire et secondaire : <BR> <BR> <BR> <BR> Up = Rp#Ip+j###Lp#Ip+Kfp#v (1)<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> Kfs.v=(Rs+R1).Is + j.#.Ls . Is (2)<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> v = j . # . x (3) avec : U : tension aux bornes de la bobine (V) ; R : résistance de la bobine (Q) ; I : courant dans la bobine (A) ; L : inductance de fuites de la bobine (H) ; w : pulsation de la tension appliquée (rad/s) ; Kf : coefficient de force de la bobine (N/A) ; v : vitesse (m/s) ; x : déplacement (m).
Le coefficient de force de la bobine (Kf) est donné par : <BR> <BR> <BR> <BR> <DV<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> b (4) avec : ¢ : flux dans t'entrefer ; N : nombre de spires ; b : longueur de la bobine.
L'équation mécanique du système s'écrit : F = j###m## (5) avec : F : force appliquée à la partie mobile ; m : masse de la partie mobile
La force se compose de 4 composantes : la force due aux ressorts, les forces exercées sur les bobines primaire et secondaire, et la résistance due aux frottements.
F=-+,.-.-,,, avec : K : coefficient du ressort (N/m) ; # : : coefficient de frottements (m3/s2).
On peut aisément montrer que les équations de ce système correspondent à celles du schéma équivalent de la figure 3, où les composants Cm, Lk et Rf sont donnés par : <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> Cm = m<BR> <BR> <BR> <BR> cm f2 (7)<BR> <BR> <BR> <BR> Kip<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> Kfp2<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> lek =<BR> <BR> zu<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> Kf 2<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> Rf (9)<BR> <BR> <BR> <BR> (s) En effet, si l'on considère que la tension aux bornes de Cm vaut Kfp. v, on voit que t'équation (1) exprime la seconde loi de Kirschhoff sur la boucle primaire du circuit. De même, t'équation (2) exprime cette même loi sur la boucle secondaire. Enfin, la combinaison des équations (5) et (6) peut s'écrire : <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> m K Kfs #<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> j### #Kfp#v+ #Kfp#x-Ip+#Is+#Kfp#v=0<BR> <BR> Kfp2 Kfp2 Kfp Kfp2<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> (10) En combinant les équations (3) et (10), on obtient :
m 1 K Kfs #<BR> <BR> <BR> j . # . . Kfp . # + . . Kfp . # - Ip + . Is + . Kfp 0. # = 0<BR> Kfp² j . # Kfp² Kfp Kfp² <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> (11) En y introduisant les équations (7) à (9), on obtient : <BR> <BR> <BR> <BR> 1 1 Kfs 1<BR> <BR> <BR> <BR> j . # . Cm . Kfp . # + . . Kfp . # - Ip + . Is + . Kfp . # = 0 (11)<BR> f . # Lk Kfp Rf <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> On peut voir que cette équation exprime la première loi de Kirschhoff, à savoir que la somme des courants en un noeud du circuit est nulle. Les équations du schéma équivalent illustré à la figure 3 correspondent donc bien à celles du système électromécanique.
Le système se comporte comme un transformateur de rapport Kfs/Kfp, avec en parallèle un condensateur (Cm), une inductance (Lk) et une résistance (Rf) correspondant respectivement à l'inertie de la masse de la partie mobile, à t'étasticité des ressorts et aux pertes par frottement.
L'étude de ce schéma montre que le rendement du système est optimal lorsqu'il fonctionne à la résonance, c'est-à-dire lorsque la pulsation vaut : En effet, dans ces conditions, t'impédance de la branche Lk-Cm est infinie. Dans le cas contraire, le courant circulant dans cette branche doit également passer dans le bobinage primaire, générant ainsi des pertes importantes. L'optimisation du rendement consiste alors à réduire autant que possible les frottements ainsi que la résistance des bobinages. Dans ce but, il est nécessaire d'augmenter la section du fil,
ce qui, pour un encombrement donné, impose de réduire le nombre de spires ; de ce fait, on réduit le coefficient de force des bobinages, ce qui augmente l'amplitude de l'oscillation. On voit dès lors apparaître deux problèmes : d'une part, les pertes par frottement augmentent ; d'autre part, il faut alors augmenter la longueur de t'entrefer, ce qui réduit l'induction vue par le bobinage et donc également le coefficient de force Kf. II est donc important, pour un encombrement imposé, de rechercher la configuration optimale, qui permet de réduire autant que possible les pertes résistives dans les bobinages sans pour autant augmenter de façon excessive les pertes par frottement.
Le système a pu être validé par une réalisation conforme à la figure 2. La conception d'un système mobile très léger (quelques dizaines de grammes) a permis de travailler à une fréquence de résonance d'environ 100Hz. Ce système a permis de délivrer la puissance nécessaire à I'alimentation d'un filament, avec un rendement suffisant pour limiter réchauffement des différents composants à des valeurs acceptables. Le poids et l'encombrement de ce système sont nettement inférieurs à ceux du transformateur d'isolement qui aurait été nécessaire dans la même application.
A l'état assemblé, le tube à rayon X et le dispositif d'alimentation sont disposé comme illustré à la figure 5. Cet ensemble est alors toge dans une enceinte.
L'invention ne se limite pas à la forme de réalisation décrite. Tout en conservant le même principe de base, à savoir de transmettre une puissance mécanique à une pièce isolante puis de la reconvertir en puissance électrique, des alternatives sont également concevables, entre autre : . Remplacer les aimants par un bobinage parcouru par un courant continu. Cette variante apporterait des pertes résistives
supplémentaires, mais pourrait permettre d'augmenter le flux magnétique et donc le coefficient de force Kf.
Inverser le système, en utilisant des bobines fixes et en plaçant les aimants sur la partie mobile ; la fréquence de résonance du système en serait réduite car les aimants sont normalement plus lourds que les bobines, mais cela permettrait de profiter d'une place plus importante pour les bobinages et donc d'utiliser plus de spires sans augmenter les pertes résistives.
Remplacer les ressorts par un système magnétique ; la partie mobile serait dès lors en sustentation et les pertes par frottement seraient fortement réduites.
* Remplacer le mouvement vibratoire de l'organe mobile isolant par un mouvement rotatif. II suffit pour cela de remplacer les dispositifs primaire et secondaire par deux moteurs réversibles. Le premier moteur, alimenté par le circuit primaire, fait toumer l'organe mobile isolant ; le second, actionné par ce même organe mobile, fonctionne en génératrice et produit une tension qui alimente le filament.
REFERENCES DES FIGURES 10 anode 28 bobinage secondaire 12 cathode 30 30 organe mobile 14 enveloppe 32 ressort (primaire) 16 filament 34 ressort (secondaire) 18 électrons 42 bobinage primaire 20 circuit primaire 44 bobinage secondaire 22 circuit secondaire 35 46 circuit magnétique 24 aimant (primaire) 47 noyau primaire 25 aimant (secondaire) 48 noyau secondaire 26 bobinage primaire
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