Brevet FR2357913A1 — publié le 19780203

La présente invention a pour objet un procède et un dispositif de mesure de ltémittance d'un faisceau de particules chargées permettant de déterminer l'ellipse d'émittance de ce faisceau en un point quelconque de sa trajectoire et de régler de façon optimum tout système de guidage du faisceau afin d1 obtenir dans la zone d'utilisation (une cible par exemple) un faisceau de dimensions prédéterminées. On entend généralement par "émittance" d'un faisceau de particules chargées, le produit de la section de ce faisceau en un point quelconque de sa trajectoire par l'angle solide dans lequel chaque élément de cette section émet en moyenne. En fait, on utilise habituellement une définition plane de l'émittance aux termes de laquelle celle-ci est représentée par l'intégrale étant prise le long d'un diamètre d'une section du faisceau au plus précisément du "diamètre" de l'enveloppe de cette section et x' = dx/ds représentant l'inclinaison des rayons émis.Dans le plan de phase x, x', l'émittance d'un faisceau est une surface qui peut être approchee par une ellipse définie par l'équation (1) Si le faisceau traverse un système optique "linéaire" (ctest-à-dire sans aberrations), tel qu'un espace de glissement sans champ ou une lentille, la forme de l'ellipse d'mittance se transforme, mais sa surface est invariante (théorème de Liouville). En fait, l'émittance dans un plan de phase donné x, XI, peut avoir une forme quelconque (la rorme d'un S par exemple) et, dans ce cas, l'ellipse d'émittance sera approximativement l'enveloppe de cette surface. Le procédé de mesure suivant l'invention, permettant de déterminer l'émittance E en un point donné de sa traJectoire, d'un faisceau de particules chargées émis par une source S vers un appareil U d'utilisation, l'ellipse d'émittance étant définie, dans un plan de phase x, x', par l'équation : &gamma;ox2 + 2&alpha;ox.x' +ssox'2 = E = Cte où : &alpha; o, ss o, &gamma; o sont des coefficients liés par la relation : &gamma;o # ss o = 1 + &alpha;o2 (3) x étant ltelongation du faisceau, dans ce plan de phase en un point de l'ellipse d'émittance, y1 étant 11 angle d'inclinaison maximale des pinceaux d'émission au point considéré, est caractérisé en ce qu'il consiste à mesurer - l'élongation x du faisceau en un point P1 prédéterminé de sa trajectoire, - l'élongation x2 du faisceau en un point P2 de la trajectoire, ce point P2 étant situé en aval du point P1, - l'élongation x3 du faisceau au point P2, une lentille L magnétique de convergence C prédéterminée étant disposée sur le trajet du faisceau au voisinage du point P1, la distance entre la lentille L et le point P2 étant égale à D = 1/C la mesure de xl, x2, X3 permettant de déterminer : les coefficients &alpha;o, sso, &gamma;o respectivement égaux à : x32 + x12 - 22 &alpha;o = (4) 2D.E x12 sso = (5) x32 &gamma;o = (6) D2.E l'émittance E du faisceau étant égale à : Egalement suivant l'invention, un dispositif de mesure de l'émittance d'un faisceau de particules chargées permettant la mise en oeuvre de ce procédé, est caractérisé en ce qu'il comporte, disposés sur la trajectoire du faisceau, un premier système-de mesure permettant de déterminer leélongation du faisceau dans un plan perpendiculaire à la trajectoire moyenne de ce faisceau au point P i donné, de sa trajectoire, un deuxième système de mesure permettant de déterminer 11 élongation du faisceau dans un plan perpendiculaire à la trajectoire moyenne de ce faisceau au point P2 situé en aval du point P1, en ce que la lentille magnétique est une lentille quadrupolaire associée à des moyens d'excitation, cette lentille L permettant de modifier la forme de l'ellipse d'émittance du faisceau en un point donné de façon qu'au niveau dudit appareil U d'utilisation, l'ellipse d'émitance ait une forme prédéterminée. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaetront à l'aide de la description ci-après et des dessins qui l'aceompagnent et sur lesquels La figure l représente une ellipse d'émittance, dans un plan de phase x, x' donné, d!un faisceau de particules chargées. La figure 2 représente' deux plans de phase PH et PV correspondant à deux directions orthogonales suivant lesquelles sont définies des ellipses d'émittance AH et Av Les figures 3 et 4 représentent les ellipses d'émittance AV et La figure 5 montre schématiquement un dispositif de mesure suivant l'invention. La figure 6 montre schématiquement le circuit électrique de mesure associé au dispositif suivant l'invention. La figure 7 montre un détail du dispositif suivant l'invention. La figure 8 représente des ellipses d'émittance correspondant à des fractions prédéterminées du courant total du faisceau. Les caractéristiques définissant complètement un faisceau de particules chargées sont, dune part son courant et, d'autre part ses ellipses d'émittance définies, en un point donné de la traJectoire de ce faisceau, suivant deux directions orthogonales. Connaissant les ellipses d'émittance au point P7 il est possible de définir les paramètres du système optique traversé par le faisceau de façon à obtenir au niveau de ltutilisation IJ des ellipses d'émittance déterminée. Le procédé suivant 11 invention permet de déterminer l'émittance E du faisceau de particules chargées et son ellipse d'émittance en un point quelconque de sa trajectoire de la façon expliquée dans ce qui suit. En un point quelconque de la trajectoire d'un faisceau F de particules, l'ellipse d'émittance est définie par Itéquation (2) : &gamma;o x@ + 2&alpha;o x.x' + sso x@2 = E (2) &alpha;o, sso, &gamma;o étant des coefficients liés par la relation (3) : &gamma;o#sso = 1 + &alpha;o2 (3) La dérivée de l'équation (2) par rapport à x' s'éorit : dE dx dx = 2 &gamma;o x. + 2 &alpha;o . x' + 2 &alpha;o x + 2 sso x' = 0 (4) dx' dx' dx' Aux points M et N (figure i) d'élongation maximum de 11 ellipse, dx = O. L'équation (h) devient alors : 2 &alpha;ox + 2 sso x' = 0 (5) d'où &alpha;o x (6) ss o En portant cette valeur de x' dans l'équation (2) on obtient &alpha;o.x &alpha;o2x2 &gamma;o x2 + 2 &alpha;o.x. # - # + sso # = E (7) sso sso 2 ce qui donne : x = sso, E (8) Si l'on considère l'ellipse d'émittance d'un faisceau F de particules en un point P1 de-sa trajectoire, on aura donc :: x2, =sso E (9) En un point P2 situé à une distance D du point P1, l'élongation maximum du faisceau F (dans un plan de mesure parallèle au plan de mesure dans lequel s'est effectué la mesure précédente) est devenue x22 = [&gamma;@ - 2D&alpha;@ + D2ss@] # E (10) Si l'on dispose maintenant une lentille t quadrupolaire de convergence C, sur le trajet du faisceau, en un point P1 (ou très voisin de P1), on peut démontrer que l'élongation du faisceau au point P2 est égale à x32 = [( 1 - CD ) &gamma;@ - 2D ( 1 - CD ) &alpha;@ + D2 ss@] E (11) Si l'on choisit C et D de façon que C.D = 1 (D égal à 1/C distance focale de la lentille), les équations (9), (10), (11) permettent décrire :: et: : +x2 -x2 &alpha;0 = x + x -x (13) 3 1 2 2D.E 2 @ = (9) D2.E Pour déterminer l'ellipse d'émittance et la valeur de l'émit- tance E du faisceau, il suffit donc: de mesurer - l'élongation x1 du faisceau au point P1 de sa trajectoire, - 11 élongation x2 du faisceau au point P2 de la trajectoire, ce point étant situé à une distance D déterminée du point P1, - l'élongation x du faisceau au point P2, ce faisceau étant soumis à l'action d'une lentille quadrupolaire, de convergence C = @/D, cette lentille étant sensiblement disposée au point P1. Les élongations xl, x2, X3 sont mesurées au moyen du dispositif de mesure suivant l'invention5 montré schématiquement en figure 5, et qui comporte un premier système G1 à diaphragmes et un deuxième système G2 à diaphragmes, semblable au premier. ta figure 7 montre de façon détaillée le système G1 à diaphragmes, qui est constitué de deux paires de plaques rectangulaires m11, m12 et m13, m14 formant deux paires de mâchoires se déplacant dans des plans parallèles suivant deux directions orthogonales X1X1et Y1Y1 te mouvement des mâchoires (m13, m14) est obtenu, dans I1 exemple de réalisation montré en figure 7, par deux tiges t3 et t4 parallèles à l'axe Y1Y1, l'une ae ces tiges (tige t) servant de guidage, tandis que l'autre (tige t), qui comporte deux filetages f13 et 914 à pas inversés, assurant l'ouverture et la fermeture des mâchoires (m13, m14).La tige t3 de section circulaire traverse deux dominos n31 et n41, fixés respectivement sur deux faces latérales opposées des plaques m13 et ml4, et munis de trous de dimensions sensiblement égales au diamètre de la tige t3. La tige t4 à double filetage traverse deux dominos n32 et n42 fixés sur les plaques m13 et m14, et munis d'orifices taraudés. La mâchoire constituée des plaques mll et m12 comporte deux tiges (non représentées sur la figure 7), respectivement analogues aux tiges t3 et t4 et permettènt le mouvement de la mâchoire suivant l'axe X1X1. Le système G@ à diaphragmes permet de déterminer les élongations du faisceau au point P1 de la trajectoire suivant les deux directions orthogonales XlXl et Y1Y1 comme le montre la figure 7. De même, le système G2 analogue au système G1 permet de déterminer les élongations du faisceau au point P2 de la trajec- toire suivant deux directions respectivement parallèles aux directions %% et Y1Y1.Connaissant le courant total 10 du faisceau, il est donc possible de déterminer pour ce courant Io, ou une fraction I de ce courant Io, les élongations maximales du faisceau en P1 et en P2 suivant les axes X1Xt, X2X2 par exemple, la lentille L quadrupolaire n'étant pas excitée, puis l'élongation du faisceau en P2 suivant l'axe X2X2 lorsque la lentille L est excitée, c'est-à-dire après modification de la forme de l'ellipse d'émit- tance de ce faisceau. Cet ensemble de mesure peut être effectué également suivant l'axe Y1Y1 (figure 7) et Y2Y2 orthogonal à X2X2 et à la traJec- toire moyenne du faisceau. Pour déterminer l'élongation maximale du faisceau modifié par la lentille L quadrupolaire suivant l'axe Y2Y2, il suffit d'inverser le sens d'excitation de cette lentille t. Chacune des mâchoires (m11, m12) ; (m13, m14) et (m21, m22) ; (m23, m24) (les m choires m23, m24 ne sont pas montrées sur les figures) est associée à un circuit électrique permettant de mesurer les élongations maximales du faisceau pour un courant I prédéterminé, suivant l'une et/ou l'autre des deux directions orthogonales X1Xl et Y1Y1 ou X2X2 et Y2Y2. Le circuit électrique, associé à la mâchoire (m11, m12) par exemple, comporte - une source 1 de tension, - un interrupteur 2 à deux positions 3 et 4, - un contacteur K1, - un contacteur K2, - un moteur électrique MX1 1 alimenté par la source 1 et pouvant actionner le mouvement des mâchoires m1l, m12, - deux amplificateurs 5 et 6, - un moteur 7 associé à un potentiomètre 8 à curseur mobile, - une source 9 de tension de référence, - un amplificateur différentiel 10, - un potentiomètre 11. En fonctionnement, le courant i du faisceau intercepté par les mâchoires ml1, m12 sert de signal de commande au mouvement de ces mâchoires m11 > m12. Supposons que l'on désire déterminer l'éliipse d'émittance, en un point déterminé de la trajectoire du faisceau, pour un courant I de ce faisceau correspondant à une fraction #% du courant 10 total du faisceau. t1 interrupteur 2 occupant la position 3 (figure 6) > le contacteur K1 étant en position fermée et le contacteur K2 en position ouverte, le moteur MX1 1 alimenté par la source 1 de tension actionne la fermeture des mâchoires m11, m12. Le signal correspondant au courant i intercepté par ces mâchoires m1l, m12 est tratté par un amplificateur 6 et actionne le moteur 7 commandant la position du curseur mobile du potentiomètre 8. Ce potentiomètre 8, alimenté par une source 9 de tension continue,dite tension de référence, délivre un signal proportionnel au courant intercepté i. Le contact mécanique des mâchoires m11 > m12 venant s'appliquer l'une contre l'autre, fournit un signal qui ouvre la clef K1. On obtient alors aux bornes du potentiomètre 8 un signal proportionnel au courant 10 total du faisceau. Si l'on désire déterminer une ellipse d'émittance pour un courant I de faisceau égal à une fraction # % du courant total Io, on donnera au curseur du potentiomètre 8 une position correspondant à un courant i = 10 - I, soit (100 - # ) Io L'interrupteur 2 est ensuite placé en position 4, la clef K2 en position fermée.Le moteur E 1 est alors actionné par un signal d'erreur représentant la différence existant entre le signal correspondant au courant i = 10 - I intercepté par les mâchoires m11, m12, et le signal affiché soit #% de Io, ce signal d'erreur étant fourni par l'amplificateur différentiel 10. Les mâchoires m1l m12 se placent ainsi automatiquement dans la position souhaitée. La commande des mAachoires m21, m22 du deuxième système q2 de mesure est obtenuede la mome façon, c'est-à-dire par un deuxième signal d'erreur fourni par un amplificateur différentiel -12 effectuant la différence entre le signal correspondant au courant intercepté par les mâchoires m21, m22, et un signal fourni par un potentiomètre 13, le signal d'erreur commandant la mise en marche d'un moteur mX2 associé aux mâchoires m21, m22 du système G2. I1 est à noter que pour simplifier les calculs précédents, la distance entre le premier système Gn de mesure et la lentille L quadrupolaire (qui peut être, en fait, placée avant ou après ce système G1) a été négligée. Si l'on en tient compte, les équations précédentes seront un peu modifiées. De même, si la convergence C de la lentille L quadrupolaire est différente de 1/D, les calculs seront effectués à partir de l'équation (11) non simplifiée. Dans le dispositif suivant l'invention les moyens d'excitation de la lentille L quadrupolaire sont tels qu'ils permettent d'inverser le sens de la tension d'excitation de façon à pouvoir modifier les ellipses d'émittance du faisceau F, successivement, suivant deux directions orthogonales. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de ltémittance d'un faisceau de particules chargées émis par une source S vers un appareil U d'utilisation, 11 ellipse d'émittance étant définie, dans un plan de phase x, x' donné, par l'équation &gamma;o x2 + 2&alpha;o x.x + @@o x@@ = E = C@@ (2) où &alpha;o, sso, &gamma;o sont des coefficients liés par la relation : &gamma;o # sso = 1 +&alpha;o2 (3) x étant l'élongation maximale du faisceau, dans ce plan de phase, en un point donné de l'ellipse d'émittance, x' étant l'angle d'inclinaison maximale des pinceaux d'émission en ce point, caractérisé en ce qu'il consiste à mesurer :: - l'élongation maximale x1 du faisceau en un point P1 de la trajec- toire - 1élongation maximale x2 du faisceau en un point P2 de la trajec- toire, ce point P2 étant situé en aval dudit point P1, - l'élongation maximale x3 du faisceau au point P2, ce faisceau étant soumis à l'action d'une lentille quadrupolaire de convergence C, disposée sur le trajet dudit faisceau au voisinage du point P1, la distance D entre la lentille et le point P2 étant égale à 1/C, la mesure de xl, x2, x3 permettant de déterminer les coefficients &alpha;o, sso, &gamma;o, respectivement égaux à 2 2 2 @ 1 2 &alpha;o = (4) 2D.E x12 ss - (5) o E x32 &gamma;;o = (6) D2.E l'émittance E du faisceau etant égale à 2. Dispositif de mesure de l'émittance d'un faisceau de particules chargées émis par une source S vers un appareil U d'utilisation, permettant la mise en oeuvre du procédd suivant la revendication t, caractérisé en ce qu'il comporte, disposés sur le trajet dudit faisceau - un premier système de mesure %permettant de déterminer l'élongation maximale du faisceau au point P1 de la trajectoire, dans un plan Q perpendiculaire à la trajectoire suivant au moins un axe X1X1 déterminé, - un deuxième système de mesure GO permettant de déterminer l'élongation maximale du faisceau au point P2 situé en aval dudit point P1 à une distance D de celui-ci, cette élongation étant mesurée dans un plan parallèle au plan Q et suivant au moins un axe X2X2 parallèle à l'axe X1X1, - une lentille L magnétique de type quadrupolaire associée à des moyens d'excitation réglables, cette lentille L étant disposée sensiblement au point Pt, à une distance D du point P2 égale à la distance focale 1/C de la lentille. 3. Dispositif de mesure suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ledit premier système et ledit deuxième système de mesure sont des systèmes à diaphragmes, d'ouverture réglable suivant deux axes orthogonaux, le diaphragme de chacun de ces systèmes étant constitué de deux paires de plaquettes formant deux mâchoires parallèles l'une à l'autre et pouvant se déplacer respectivement suivant deux directions orthogonales, la paire de mâchoires de chacun de ces deux systèmes délimitant une ouverture à travers laquelle peut passer le faisceau, chaque mâchoire étant électriquement isolée et reliée à un circuit de mesure permettant de déterminer le courant dudit faisceau intercepté par les plaques de chacune des mâchoires. 4. Dispositif de mesure suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les premier et deuxième systèmes sont constitues de fils tournants, disposés parallèlement à un axe perpendiculaire à la trajectoire moyenne du faisceau et pouvant tourner autour de cet axe. 5. Dispositif de mesure suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'excitation de la lentille L quadrupolaire permettant d'inverser le sens de la tension d'excitation afin de pouvoir modifier les ellipses d'émittance dudit faisceau successivement dans deux directions orthogonales. 6. Dispositif de mesure suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens assurent l'ouverture automatique des mâchoires de chacun des systèmes G1, G2 de mesure, la position des mâchoires étant commandée par le courant i du -faisceau qu'elles interceptent, la valeur du rapport 1/10 étant égale à I Io - i Io Io étant le cour@nt total du f@i@@@@ étant le- courant total du faisceau et I le courant du faisceau traversant les mâchoires 7.Dispositif de mesure suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le premier système et le deuxième de mesure peuvent tourner autour d'un axe confondu avec la trajectoire moyenne du faisceau de façon à pouvoir définir l'émittance du faisceau suivant deux axes orthogonaux prédéterminés. 8. Dispositif de mesure suivant la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens d'ouverture automatique des paires de mâchoires correspondantes des systèmes G1 et G2 comportent : - une source (1) de tension, - un interrupteur (2) à deux positions, - deux contacteurs (K1, K2), - un moteur électrique MX1 alimenté par ladite source (1) de tension et pouvant actionner le mouvement desdites mâchoires, - deux amplificateurs (5 et 6), - un moteur (7) associé à un potentiomètre (8) à curseur mobile, - une source (9) de tension de référence, - un amplificateur différentiel (10), - un amplificateur différentiel (12), - un potentiomètre (13), - un moteur \ 2 actionné par le signal fourni par l'amplifica- teur différentiel (12), ledit moteur MX2 assurant le mouvement des mâchoires qui lui sont associées.