Sceeker's stuff

Article en cours de rédaction (très lente, prépa tout ça tout ça (oui j'adore les GIFs immondes))

La théorie

Les rayons-X sont des radiations électromagnétiques. On peut alors les percevoir (selon la dualité onde-corpuscule) comme des ondes de fréquences entre 3x10¹⁶ et 3x10¹⁹Hz, ou comme des photons à très haute énergie (entre 100eV et 200kEv et dont la longueur d'onde De Broglie correspond à celle des ondes). Ces radiations sont émises lorsque des particules chargées électriquement, comme un électron, sont très fortement accélérées.
Dans notre cas présent, nous allons accélérer des électrons, puis lorsqu'il y aura collision entre ces derniers et une surface métallique, une partie de leur énergie sera libérée sous forme de photons à très haut énergie : sous forme de rayons X. Lors de l'impact, les photons se forment de deux manières différentes.

Rappelons la constitution d'un atome. Un atome est composé d'un noyau (lui même constitué de neutrons et de protons) chargé positivement autour duquel orbite des électrons chargés négativement. Ces derniers sont organisés autour du noyau sur différentes couches correspondants à des niveaux d'énergie différents.

Pour passer d'une couche à une autre, il faut apporter ou retirer une certaine quantité d'énergie à un électron : pour le faire monter de couches, il lui faut une énergie plus importante donc un apport d'énergie est nécessaire et pour le faire descendre, il va devoir libérer une partie de son énergie. Pour ce faire, l'énergie est libérée sous la forme d'un photon.
Lorsqu'un électron n'est plus sur son niveau d'énergie initial, il y a alors une lacune, un éléctron manquant, dans sa couche initale. L'atome est alors instable, et pour redevenir stable, un électron va venir combler la lacune en descendant de niveau d'énergie, libérant ainsi un photon d'énergie correspondante à la différence d'énergie entre la couche d'où vient l'électron et celle qu'il vient combler.

Ainsi, pour produire des rayons X il nous suffirait de pouvoir faire monter les électrons des atomes métalliques à des niveaux d'énergies plus hauts, qui en se stabilisant de nouveau, vont émettre les photons. Cependant il faut que l'énergie approtée au métal soit suffisement importante pour que les photons émis soit d'assez haute fréquence/énergie, sinon nous n'obtiendrons pas les rayons X que l'on désire.

L'autre manière que l'on peut avoir de produire des photons avec nos électrons, existe grâce au rayonnement continu de freinage ou bremsstrahlung. Lorsqu'une particule chargée à très haute vitesse passe proche d'une autre particule chargée, ces dernières peuvent intéragir : si leurs charges sont opposées, elles se rapprochent, sinon elles vont se repousser. Suites à ces intéraction, les vitesses des particules vont être altérées. Lorsque notre électron à très haute vitesse intéragit avec d'autres particules, lors d'une perte de vitesse, d'une perte d'énergie cinétique, cette énergie est transforméé en radiation électromagnétique, en photon. Ainsi, en ralentissant fortement un électron, on peut produire des photons à très haute énergie. Plus particulièrement, dans notre cas, cela a lieu lorsque l'électron est ralenti par la matière, le métal, qu'il traverse.

Tentons de comprendre comment nous pourrions alors produire et accélérer des électrons. Pour la partie création d'électrons, c'est une chose que j'ai déjà abordé et expliqué dans mon post sur le magnétron que je vous conseille alors d'aller lire si cette partie vous intéresse. Mais en résumé, si vous voulez menez vos recherches, il s'agit de l'émission thermionioque, qui va permettre de libérer des électrons libres lorsque l'on chauffe un métal. On va donc tout d'abord se munir d'un filament en un métal résistant aux hautes température, bien sûr, le tungstène est parfait pour cela. Ensuite, il nous faut un moyen d'accélérer les éléctrons.

Nous avons vu que les électrons étaient des particules chargées négativement. Ainsi, un pôle chargé positivement va l'attirer, tout comme deux aimant de polarités opposées s'attirent. Ainsi pour cela, on va placer deux électrodes, deux surfaces métalliques, séparée d'une distance D, sur lesquelles on va appliquer une tension, une différence de potentiel électrique. Ainsi on aura un pôle "négatif"/une masse et un pôle positif avec un potentiel plus important. L'électron sera alors attiré vers le pôle positif, puisque ce dernier est chargé négativement, grâce au champ électrique alors établi entre les électrodes.

On peut alors s'attarder à l'étude de l'accélération de l'électron pour connaître son énergie/vitesse terminale. La partie caclulatoire n'est pas nécessaire mais je vais la développer au cas où cela vous intéresse, seule la vitesse sera à retenir à la fin. Pour éviter les frottement des éléctrons avec d'autres particules avant l'impact, tout va alors se dérouler sous vide. Voilà le dispositif d'accélération des électrons :

On va alors maintenant chercher à connaître la vitesse de l'électron avant impact sur une surface métallique du tube à vide. Voilà comment on procède:




Nous connaissons maintenant l'énergie et la vitesse de l'électron après son accélération. Il va maintenant falloir nous attarder sur l'étude de l'émissions des photons à haute énergie, pour savoir si ces vitesses, que l'on établiera plus tard dans la partie pratique, nous permettent bien la production de rayons X.





Voilà, il semblerait donc qu'il soit possible pour nous de produire des rayons X avec une tension de 60kV assez facilement atteignable dans son garage.
Cependant on pourrait se demander: comment observer et faire de l'imagerie avec des rayons X ? Sans entrer dans le détails ici, on utilise (il y a d'autres méthodes, c'est une des plus rapndues) un écran phosphoré. Lorsque les rayons X viennent travers l'écran, les photons vont venir exciter les atomes de phosphore. Lorsque ceux-ci vont se désexciter, ils vont libérer plusieurs photons d'énergies plus basses que celui à haute énergie reçu initialement. Plus précisement, des photons dont la longueur d'ondes se situe dans le domaine du visible. Ainsi, il nous ai possible d'obtenir de la lumière visible...
Maintenant il ne reste plus qu'à voir comment mettre tout cela en oeuvre...

La pratique

Tout d'abord, la pièce maîtresse sans quoi rien n'est possible : il nous faut un tube à vide dans lequel accélérer les électrons et les faire impacter une surface métallique. Pour cela, il serait bien trop compliqué d'essayer de fabriquer cette pièce nous même. Cependant de nombreuses options très facilement accessibles s'offres à nous. On pourrait vouloir acheter un tube à rayons X directement, qui sont fabriqués pour, cependant ces derniers sont assez rares et couteux. Heureusement, il existe d'autres options. En effet, avant l'existences des circuits intégrés, on utilisaient des tubes à vides (dont je n'expliquerais pas ici le fonctionnement) où l'ont peut quasiment toujours retrouver anode, cathode et filament. Cependant, il évidant que la production de rayons X n'est pas du tout ceux pour quoi ils sont conçus et donc , puisque tous les tubes ne sont pas équivalents, il va falloir fouiller pour trouver ceux qui sont le plus efficaces et qui résistent le mieux à l'utilisation que l'on veut en faire. En général ces tubes ne sont pas faits pour de si hautes tension de l'ordre de 60kV. De plus, d'un tube à l'autre, le faisceau d'électron émis peut être plus ou moins large. Or, pour avoir les images les plus nettes possibles, il faudrait que les photons proviennent le plus possible tous d'un même point : il nous faut le faisceau le plus fin possible. En effet, dans le cas contraire, les rayons lumineux venant des deux extrêmités du cercle d'impact des électrons pourrait introduire de l'aberration géométrique, donnant une sorte de flou. De plus, seulement 1% environ de l'énergie des électrons est transformée en énergie lumineuse, le reste est libéré sous forme de chaleur lors de l'impact. Il nous faut donc trouver un tube qui résisterait le mieux à ce type d'usure qui pourrait venir rogner/abimer la surface métallique où les électrons tapent.
Assez de blabla. Les deux tubes les plus compatibles avec ce que l'on veut en faire que j'ai retenu sont deux tubes russes. Le premier, le ГП-5 (ou GP-5 en alphabet latin) est un ancien tube (triode) pour télévisions russes, qui a été connu pour déjà éméttre des rayons X de manière indésirable. L'autre, plus petit et plus répandu est le 6ВС-1 (ou 6VS-1 en alphabet latin), était un régulateur de courant utilisé dans des applications assez disparates. Voilà les deux tubes :

Maintenant, il nous faut un moyen d'obtenir de la très haute tension, de l'ordre de 60kV (en réalité avec de tels tubes, à partir de 40kV peut suffir). Mon premier essai utilisait un transformateur haute tension de brûleur à fioul qui montait la tension du secteur à 15kV. J'utilisais ensuite un multiplieur de Cockcroft-Walton à deux étages pour monter aux 60kV désirés, directement en courant continu ensuite:
Gros problème, euh, je sais pas ce que j'ai foiré mais dans la photo précédente le transformateur se trouve dans une étuve. En fait c'est parce que j'ai voulu faire fondre et retirer l'asphalt dans lequel le bobinage du transformateur était coulé pour le réparer. Parce que, euh, en fait il y a eu des arcs électriques à l'intérieur du bobinage... Au final je n'ai pas réussi à le réparer, parce que ça ressemblait à ça après trois jours dans l'étuve :
Donc deuxième essai, en utilisant un transformateur à balayage horizontal (ou transformateur flyback en anglais) que j'ai volé dans mon ancienne télévision cathodique. Ces transformateurs sont faits pour être alimentés avec une très haute fréquence, à leur fréquence de résonnance, mais sont plus compacts et ne nécessitent pas d'être alimentés par le secteur.

Cependant il faut pouvoir générer ces hautes fréqueces. Pour ça, je n'ai pas cherché bien longtemps, sur internet il existe un design très très connu d'oscillateur souvent utilisé pour ces transformateurs. On le trouve simplement sous le nom de "ZVS driver", mais le design le plus populaire est celui de l'électronicien Mazilli:

Son nom, pour "Zero Voltage Switching" vient du fait que les MOSFETs (un type de transistor) utilisés dans le circuit s'inversent lorsque la tension est nulle à leurs bornes. Ainsi, l'inversion se fait lorsque la puissance est minimale (théoriquement nulle), ce qui permet de réduire grandement l'échauffement des MOSFETs.
Prenons ce schéma simplifier pour étudier son fonctionnement rapidement:

Quand un courant est applique en +V, ce dernier va circuler à la fois dan le primais (le bobinage à droite) et dans les grilles des MOSFETs, l'inversion a lieu et les MOSFETs s'allument. Ensuite, ce circuit, pour fonctionner, va se baser sur les imperfections uniques de chaque composant. En effet, tous ne sont pas parfaitement identiques, alors un des deux MOSFETs va s'allumer avant l'autre, alors un courant plus important va traverser ce dernier.
Ce courant supplémentaire traversant le côté du primaire correspondant permet alors la chute du courant du courant à la grille de l'autre MOSFET qui va alors s'éteindre. Le côté du primaire où passe le courant ainsi que le condensateur forment alors un oscillateur LC, aux bornes duquel le courant va osciller durant le régime transitoire, le condensateur servant de frein (c'est un oscillateur de facteur de qualité Q inférieur à un demi introduisant un régime pseudo-périodique).

Supposons que le MOSFET Q1 a été le premier à s'allumer. Alors le potentiel au point Y (ou la tension en Y par rapport à la masse) est nul alors que le potentiel en Z va osciller. Lorsque le potentiel Z devient nul, Q1 s'éteint car son courant de grille s'effondre. Le potentienl en Y augmente alors, et Q2 s'allume. On a alors un nouvel oscillateur LC au primaire, et le cycle se répète "dans l'autre sens". La bobine L1, s'opposant aux variations rapides d'intensité, permet d'éviter les pics de courant dans le circuit qui pourrait l'endommager tandis que le circuit LC limite le courant "moyen".
La fréquen d'oscillation du circuit ZVS est alors la même (apprximativement) que celle du circuit LC. On peut déterminer sa fréquence d'oscillation.




Ainsi, pour un condensateur de 660 nF et mesurant une inductance de 8 µH sur le primaire, on a une fréquence de 80 kHz environ. C'est ce que l'on recherche pour un transformateur flyback.
Pour mon premier oscillateur ZVS, je pensais aussi m'en servir pour faire chauffer des métaux par induction, sur des durées plus ou moins longues. C'est pour ça que, même si normalemnt les MOSEFETs ne doivent pas trop chauffer, j'avais fais un mintage avec un module peltier pour les refroidir...

Évidemment pour le projet actuel c'est overkill. En faisant 8 tours (2 x 4 tours) sur le coeur en ferrite du transformateur flyback pour le primaire du driver j'ai obtenu dès le premier essai de la haute tension en alimentant le drivers en 12V.

Cependant, pour avoir la tension nécessaire de 60 kV, il fallait plutôt que j'alimente le driver aux altentours de 35V.

Le soucis est que, à cette tension d'entrée, on dépasse déjà à la tension maximale supportée par ces MOSFETs (des IRFP260N). Donc il ne faut pas laisser le tout allumé trop longtemps.
J'ai eu aussi mes premiers rayons X (c'est le compteur Geiger qu'on entend):

De plus, un autre gros soucis est le fait que le transformateur flyback n'est pas censé donner de telles tensions, il y a donc un fort risque que ça arc à l'intérieur du bobinage... J'avais déjà de l'effet corona (des sortes minis arcs en quelques sorte) entre le secondaire du transformateur. Je l'ai donc plongé dans de l'huile pour la haute tension.
Cependant, bien évidemment... ça a fini par faire des arcs à l'intérieur du secondaire, ce qui fait à moitié exploser la coque du transformateur :)

Afin de corriger la fréquences de résonnance et qu'elle soit plus adaptée au transformateur et aussi afin de pouvoir alimenter le transformateur par un primaire simple et sans center-tap comme avant, j'ai fais une sorte de transformateur d'isolement intermédiaire (2x4 tours center-tap en primaire et 4 tours en secondaire).

Il est réalisé avec le coeur en ferrite du transformateur flyback que j'ai démonté (niqué) et un anneau imprimé en 3D pour maintenant les ferrites.

Cependant, après beaucoup d'expérimentation... J'ai grillé mon driver ZVS. J'en ai donc refais un supporté par un petit bout de circuit imprimé, comme ça quand les MOSFETs meurent, je n'ai qu'à les changer et ressouder le reste du circuit dessus. J'ai ensuite assemblé tout cela avec un nouveau transformateur flyback plus robuste.

J'ai aussi acheté des transformateurs flyback plus anciens, qui sortent directement leur secondaire (en alternatif, car les plus récent redressent le secondaire en continu) pour pouvoir alimenter le driver ZVS à une tension plus basse et remonter la sortie du flyback avec un multiplieur de Cockcroft-Walton.

J'ai aussi dégoté des écrans phosphorés médiaux (ils sont en blancs à l'intérieur de la cassette une fois ouverte).

On peut alors utiliser un appareil photo classique pour prendre en photo derrière un des écrans phopshorés.