Brevet FR2467526A1 — publié le 19810417

La présente invention concerne un accélérateur linéaire destiné à produire des particules chargées, d'énergie va- riable. Il est très souhaitable de produire des faisceaux de particules énergétiques chargées, avec une distribution d'énergie étroite, cette énergie étant variable dans une large plage dynamique. Il est en outre souhaitable que la distribution d'énergie, E, soit indépendante de la valeur de l'énergie finale E des particules accélérées. Une solution simple pour assurer une commande d'éner- gie variable dans un accélérateur linéaire consiste à faire varier la puissance fournie par la source à haute fréquence aux cavités d'accélération. Une diminution du champ électrique d'accélération auquel sont soumises les 1,5 particules du faisceau en traversant les cavités d'accélé- ration entratne une diminution de l'énergie finale. Un atténuateur variable dans le guide d'onde qui transmet la puissance à haute fréquence entre la source et l'accéléra- teur peut permettre cette variation sélective de l'amplitu- de du champ électrique d'accélération. Cette solution présente l'inconvénient d'une dégradation de la qualité du faisceau accéléré en raisnn d'une plus large distribution d'énergie AE dans le faisceau final. Les dimensions de l'accélérateur peuvent être optimisées pour un groupe par- ticulier de paramètres de fonctionnement, par exemple l'in- tensité du faisceau et la puissance d'entrée en haute fréquence. Vais cette optimisation n'est plus préservée quand la puissance à haute fréquence est changée, car cela modifie la vitesse des électrons et par conséquent, la 3o phase du paquet d'électrons par rapport aux tensions à haute fréquence dans les cavités. La distribution étroite d'énergie soigneusement prévue est ainsi dégradée. Une autre solution de la technique antérieure consiste à disposer en cascade deux sections à onde progressive de cavités dtaccélérateur. Les deux sections sont excitées indépendamment par une source commune avec une atténuation sélective d'amplitude et une variation de phase appliquée à la seconde section. Des accélérateurs de ce genre sont décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique n0 2 920 228 et 3 070 726. Ces structures à onde progressive sont, de par leur nature, moins efficaces que les accéléra- te.urs à onde stationnaire, à couplage latéral, car l'éner- gie qui n'est pas transférée au faisceau doit êAtre dissipée dans une charge après un seul passage de l'énergie de l'onde à haute fréquence dans la structure d'accélération, et en outre, l'impédance en dérivation est plus faible que dans des accélérateurs à onde stationnaire. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4 118 653 décrit un autre accélérateur antérieur qui consiste en une combi- naison dtune section d'un accélérateur à onde progressive produisant une énergie et une distribution d'énergie opti- misées, avec une section qui suit d'un accélérateur à onde stationnaire. Les deux sections,-à onde progressive et à onde stationnaire, sont excitées par une source à haute fréquence commune et une atténuation est prévue pour l'excitation de la section à onde stationnaire. Dans la partie à onde stationnaire de l'accélérateur, il apparaIt un léger effet sur le faisceau accéléré et groupé dont la vitesse est très proche de la vitesse de la lumière et par conséquent, indépendante de l'énergie. lMais cette dis- position oblige à concevoir et à fabriquer deux types très différents de section d'accélérateur et impose égale- ment des circuits extérieurs complexes en hyperfréquence. Un autre accélérateur linéaire à onde stationnaire avec une possibilité d'énergie variable du faisceau est réalisé avec un accélérateur qui comporte plusieurs sous- structures découplées électromagnétiquement. Chaque sous- structure est conçue comme un accélérateur à couplage par cavités latérales. Les sous-structures distinctes sont coaxiales mais imbriquées de manière que des cavités d'accélération voisines fassent partie de sousstructures différentes et soient découplées électromagnétiquement. Ainsi, des cavités voisines peuvent supporter des ondes stationnaires de phases différentes. Le gain d'énergie d'un faisceau de particules chargées qui traverse cet accélérateur est évidemment une fonction de la distribution de phase. Pour un accélérateur caractérisé par ces sous- structures imbriquées, l'énergie maximale du faisceau est obtenue quand les phases de cavités d'accélération voisi- ne diff&rent de /2, la cavité en aval étant en retard sur 1l cavité amont voisine et si la distance entre des cavités d'accélération est le quart de la distance franchie par un électron pendant un cycle de haute fréquence. Le réglage de la relation de phase entre les sous-structures permet de varier l'énergie du faisceau. Un accélérateur de ce genre est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Améri- que no 4 024 426. Bien qu'il apporte une bonne efficacité de la commande d'énergie, sa structure est plus complexe que celle de l'accélérateur selon l'invention. L'invention concerne donc un accélérateur linéaire à onde stationnaire produisant des particules accélérées d'énergie variable tout en maintenant une excellente uni- formité de la distribution d'énergie du faisceau dans une plage dynamique d'accélération. Ce résultat est obtenu grâce à une structure d'accélé- rateur à onde stationnaire, à couplage latéral, produisant une variation réglable de radians dans le déphasage d'une cavité latérale déterminée de l'accélérateur. Selon une caractéristique de l'invention, l'énergie accumulée par le faisceau accéléré est modifiée en choisis- sant la cavité ou les cavités latérales dans lesquelles le déphasage est effectué. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dé- phasage voulu est obtenu en changeant l'excitation de la cavité latérale choisie, du mode TM010 au mode TM011 ou TEM. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention appara tront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exem- ple nullement limitatif: la figure 1 est une coupe schématique d'un accélérateur à onde stationnaire et à couplage par cavités latérales de type antérieur, la figure 2 est un croquis montrant l'orientation du champ électrique dans l'accélérateur de la figure 1, la figure 3 est un croquis montrant l'orientation du champ électrique dans un accélérateur selon l'invention, la figure 4 est une coupe schématique d'une cavité la- térale réglable qui convient pour un accélérateur selon l'invention, et la figure 5 est une courbe de distribution d'énergie du faisceau produit par un mode de réalisation de l'invention. L'accélérateur 1 de type antérieur comporte une section d'accélération 2 qui contient plusieurs résonateurs à cavité 3 disposés successivement le long du trajet 4 d'un faisceau, pour réagir électromagnétiquenent avec les particules chargées du faisceau et les accélérer jusqu'au voisinage de la vitesse de la lumière à l'extrémité aval de la section d'accélérateur 2. Une source de particules par exemple un canon 5 à particules chargées est disposée à l'extrémité amont de la section d'accélérateur 2 afin de former et de projeter un faisceau de particules chargées, par exemple des électrons dans la section d'accélérateur 2. Une fenêtre 6 de sortie du faisceau qui est perméable aux particules du faisceau à haute énergie et imperméable aux gaz est scellée sur l'extrémité aval de la section d'accé- lérateur 2. La section d'accélérateur 2 et le canon 5 sont vidés jusqu'à une basse pression telle que 10-6 torr par une pompe 7 à vide poussé branchée sur la section d'accélé- rateur 2 par une tubulure 8. La section d'accélérateur 2 est excitée par de l'éner- gie en hyperfréquence provenant d'une source courante, par exemple un magnétron, connecté à la section d'accélérateur 2, par exemple au moyen d'un guide d'onde, non représenté, et délivrant de l'énergie dans l'un des résonateurs 3 par un diaphragme d'entrée désigné par 11. La section d'accélé- rateur 2 constitue un accélérateur à onde stationnaire, c'est à dire une section résonnante de cavités couplées et la source d'hyperfréquence délivre environ 1,6 mégawatt à cette section d'accélérateur 2. Dans un mode courant de réalisation, la source en hyperfréquence est choisie pour fonctionner dans la bande S (1550 à 5200 MHz) et les cavités résonnent dans cette me-me bande. Le champ en hyper- fréquence dans la section d'accélérateur 2 réagit électro- magnétiquement avec les particules chargées du faisceau 4 pour les accélérer jusqu'au voisinage de la vitesse de la lumière à ltextrieité aval de l'accélérateur. Plus par- ticulièrement, la puissance d'entrée en hyperfréquence de 1,6 mégawatt produit des électrons de sortie du faisceau 4 avec des énergies de l'ordre de 4 MleV. Ces électrons de haute énergie peuvent 9tre utilisés pour bombarder une cible et produire des rayons X de haute énergie, ou encore, les électrons de haute énergie peuvent être utili- sés pour irradier directement des objets, à volonté. Plusieurs cavités de couplage 15 sont décalées par rapport à l'axe de la section dtaccélérateur 2 afin d'assu- rer le couplage électromagnétique entre les cavités 3 d'accélération voisines. Chacune des cavités de couplage comporte une paroi latérale 16 cylindrique et deux piè- ces de charge 17 capacitives en saillie vers l'intérieur dans la cavité cylindrique, à partir des parois d'extré- mité opposées afin de présenter une charge capacitive dans la cavité. Chaque cavité de couplage cylindrique 15 est disposée de manière à être à peu près tangente aux cavités d'accélération 3, les angles de chaque cavité de couplage coupant les parois intérieures des cavités d'accéléra- tion 3 pour définir des diaphragmes 18 de couplage de champ magnétique assurant le couplage de l'énergie des ondes électromagnétiques entre les cavités d'accélération 3 et la cavité de couplage 15 associée. Les cavités d'accé- lération 3 et les cavités de couplage 15 sont toutes accpr- dées sur la même fréquence La partie supérieure de la figure 2 représente schéma- tiquement l'accélérateur antérieur de la figure 1. Le schéma de la figure 2 montre les directions des champs électriques à haute fréquence à un instant o le champ électrique est iiaximal, par des flèches aux entrées des cavités d'accélération 3. La courbe en bas de la figure 2 indique l'intensité du champ électrique le long de l'axe 4 du faisceau de la figure 1, à l'instant supposé dans la partie supérieure de la figure. En fonctionnement, les en- trées des cavités sont espacées de manière que les élec- trons (dont la vitesse s'approche de la vitesse de la lu- mière) passent d'une entrée à la suivante en une alternance de l'énergie à haute fréquence, de sorte qu'après avoir subi un champ d'accélération à une entrée de cavité, ils arrivent à la 'suivante lorsque le sens du champ a été in- versé pour subir une nouvelle accélération. Dans chaque cavité latérale 15, la phase du champ est en avance de 1/27tradian sur la phase de la cavité d'accélération 3 précédente, de sorte que l'ensemble de la structure à résonance périodique fonctionne dans un mode avec un dé- phasage de T/2 par cavité. Etant donné que le faisceau ne réagit pas avec les cavités latérales 15, il subit l'équivalent d'une structure àvec un déphasage de X entre des cavités d'accélération voisines. Si les cavités d'ex- trémité sont des cavités d'accélération, comme représenté, la distribution d'onde stationnaire produit des champs très faibles (représentés par des 0) dans les cavités laté- rales 15, ce qui réduit au minimum les pertes en haute fréquence dans ces cavités non accélératrices. Sur les figures 1 et 2, les cavités d'extrémité 3' sont représen- tées comme des demi-cavités. Cela améliore les conditions d'entrée du faisceau et produit une structure résonante parfaitement symétrique avec des champs uniformes dans toutes les cavités d'accélération. Il convient d'affecter un accroissement moyen d'éner- gie E1 à chaque cavité d'accélération et, pour une struc- ture complète de N cavités entières, l'accord optimal permet d'obtenir une énergie finale E=NE1. Selon l'invention, le réglage du déphasage dans une seule paire de cavités voisines d'accélération est utili sé pour sélectionner l'énergie du faisceau final, jus- qu'à l'énergie maximale possible. La figure 3 représente schématiquement une structure, par ailleurs similaire à celle de la figure 2 mais qui s'en distingue par la possi- bilité de modifier le déphasage entre des cavités d'accé- lération 3 voisines en modifiant la phase de l'onde stationnaire dans une cavité latérale 20 déterminée. Dans un mode de réalisation, le déphasage introduit entre des cavités d'accélération voisines est changé de Jà 0 radian et cela se fait en passant le fonctionnement de la cavité latérale choisie du mode TM010 dans lequel la phase du champ magnétique est la même aux deux diaphragmes de cou- plage 18 des figures 1 et 2, au mode TM 011 ou TEM dans le- quel il se produit une inversion de phase entre les diaphra- gmes 18' des figures 3 et 4. Il faut donc noter que le champ électrique que le fais- ceau subit n'a plus la phase permettant l'accélération ma- ximale dans les autres cavités franchies mais en fait, il s'agit d'une phase de décélération. L'énergie globale d'accélération est alors E=(N2N1)E1 o N1 est le nombre des cavités après l'inversion de phase. Le changement de phase se fait en modifiant les pro- priétés de résonance de la cavité latérale choisie. La fi- gure 4 représente schématiquement cette cavité latérale à changement de phase. Elle se présente sous la forme d'une cavité coaxiale 20 avec des colonnettes intérieures 17t et 22 de charge capacitive en saillie sur les parois d'extrémité. La cavité 20 est couplée avec les cavités d'accélération 3 voisines par des diaphragmes 18'. Dans le mode TM010, le champ électrique est le plus intense suivant l'axe. Une tige métallique 24 peut coulisser à l'intérieur de la colonne tte de charge 22 qui est creuse. La colonnet- te 24 est guidée dans un alésage 26 et elle est fixée à un soufflet métallique flexible 28 permettant son déplacement axial sois vide. Une connexion en haute fréquence de la tige 24 avec la colonnette de charge 22 est assurée par un double dispositif d'arrAt 30,32 en quart d'onde qui élimine les courants intenses dans l'alésage 26. Quand la tige 24 est positionnée comme représenté en trait plein sur la figure 4, la cavité 20 est accordée sur la même fréquence de résonance de son mode TM 10 que la fréquence de résonance des cavités d'accélération 3. Pour changer de mode, la tige 24 est poussée mécaniquement vers l'in- térieur (comme représenté en pointillés) à partir de sa position représentée en trait plein, à l'intérieur de la colonnette de charge 22, ce qui augmente la charge capa- citive et abaisse la fréquence de résonance du mode ini- tial TM010. Selon l'invention, la tige 24 est déplacée vers l'intérieur jusqu'à une position telle que la cavité ne résonne plus dans le mode TM010 à la fréquence de résonance des cavités d'accélération 3, mais fonctionne dans le mode TM011 ou TE., ces modes résonnant à la même fréquence que la fréquence de résonance des cavités d'accé- lération. Dans un mode de réalisation, les dimensions de la cavité sont choisies de manière que pour une certaine position 34 de l'extrémité gauche de la tige 24, la résonance TM011 se fasse à la fréquence de fonctionnement des cavités dtac- célération 3. Il existe à nouveau un déphasage de t/2 ra- dian entre la cavité d'accélération 3 précédente et la cavité de couplage 20, et un autre déphasage de Z/2 entre là cavité de couplage 20 et la cavité d'accélération 3 suivante. Mais l'inversion du champ magnétique à l'intérieur de la cavité 20 (résultant du fonctionnement dans le mode TM011) produit un autre déphasage deltradian, de sorte que le couplage global entre les cavités d'accélération 3 voisines est 2 ou 0 radian plutôt que X radian produit par les autres cavités de couplage 15. Dans un autre mode de réalisation, le cavité 20 à changement de phase est dimensionnée de manière que lors- que la tige 24 est poussée dans la cavité 20 jusqu'en contact avec la colonnette de charge 17', la résonance en mode TEM (résonance à demilongueur d'onde d'une ligne coaxiale avec des extrémités en court-circuit) soit éta- blie à la fréquence de fonctionnement des cavités d'accé- lération 3. Dans ce mode, il se produit également une in- version du champ magnétique entre les extrémités de la cavité de couplage, de sorte que la phase du couplage entre des cavités d'accélération 3 voisines passe deSXradian à 2t ou 0 radian, comme décrit ci-dessus. Il est bien entendu que la configuration optimale de la cavité laté- rale 20 pour passer du mode TM010 au mode TEM diffère de la configuration optimale de cette cavité latérale pour passer du mode TM 1. au mode TM011. La figure 5 montre des courbes du spectre d'énergie calculé d'une seule section d'accélération d'une cavité d'accélération entière, de deux demicavités (initiale. et finale.) et deux cavités latérales de couplage. Ce spectre a été obtenu en intégrant les accélérations des électrons réagissant avec les champs électriques oscilla- toires sinusoïdaux à onde statibnnaire dans les cavités. Ce spectre calculé s'est avéré correspondre exactement au spectre mesuré. La fonction spectrale 38 se présente comme un spectre de fonctionnement normal (TM 10). La courbe 40 est celle du spectre obtenu en changeant le mode de la cavité latérale de couplage de la cavité com- plète d'accélération et de la demi-cavité finale d'accélé- ration. Le nombre des cavités de couplage dans lesquelles la phase est inversée est déterminé par la réduction sou- haitée de l'énergie des particules. Bien entendu, des pas d'énergie multiple peuvent être obtenus avec plu- sieurs cavités de couplage à inversion de phase. Si par exemple une cavité 20 à inversion de phase est prévue entre la dernière cavité complète d'accélération de la figure 3 et la demi-cavité finale, combinée avec une au- tre entre les deux dernières cavités complètes d'accélé- ration, il est possible d'obtenir quatre valeurs d'éner- gie de sortie par combinaison des deux changements de phase. Il est bien entendu que de nombreuses modifications peuvent être apportées au mode de réalisation décrit et illustré sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Accélérateur de particules, comprenant un circuit d'accélération à résonance constitué par au moins trois cavités (3,15,20) ayant les mêmes fréquences de résonance et couplées électromagnétiquement en cascade, une pre- mière et une troisième (3) desdites cavités comportant des trous dans leurs parois pour le passage d'un faisceau de particules et pour le oeuplage d'énergie électromagnétique avec ledit faisceau, une seconde cavité (15,20) étant locouplée avec chacune desdites première et troisième cavi- tés sans être couplée avec ledit faisceau, accélérateur caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (24) desti- né à modifier le mode de résonance dans ladite seconde cavité (20) afin de produire un changement, de phase de 151'énergie ondulatoire couplée entre ladite première cavité et ladite troisième cavité. - 2 - Accélérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (24)destiné à changer le mode de résonance change det radian le déphasage entre lesdites première et trdsième cavités. 3 - Accélérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite seconde cavité (20) est disposée à dis- tance dudit faisceau. 4 - Accélérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites première et troisième cavités (3) comportent une paroi commune. - Accélérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit couplage entre ladite seconde cavité (20) et lesdites première et troisième (3) cavités est assuré par des diaphragmes (18) disposés dans des régions de champ magnétique.; à haute fréquence élevé. 6 - Accélérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite seconde cavité (20) est une cavité coaxiale, ledit dispositif (24) destiné à changer le mode de résonance consistant en un dispositif qui modifie la longueur d'un conducteur central. 7 - Accélérateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la longueur dudit conducteur central (24) est changée pour former un conducteur continu en travers de ladite cavité coaxiale. 8 - Accélérateur de particules caractérisé en ce qu'il comporte au moins trois cavités (3) d'accélération compor- tant des trous dans leurs parois pour le passage d'un faisceau de particules et pour le couplage d'énergie électromagnétique avec ledit faisceau, au moins deux cavi- tés de couplage (15,20) couplées chacune avec deux desdi- tes cavités d'accélération et un'dispositif (24) destiné à modifier sélectivement le mode de résonance dans deux desdites cavités de couplage pour produire un changement de phase de l'énergie ondulatoire dans les cavités d'accé- lération couplées.