Brevet FR2487627A1 — publié le 19820129

La présente invention concerne des circuits à cavi- tés à ondes stationnaires, du type utilisé dans des accélé- rateurs linéaires de particules à ondes stationnaires. Il est tout à fait souhaitable de réaliser des faisceaux de particules chargées d'énergie avec une étroite dispersion de l'énergie, une telle énergie moyenne étant variable sur une plage dynamique étendue. En outre il est souhaitable que la dispersion de l'énergie, AE, soit indé- pendante de la valeur de l'énergie finale moyenne accélérée E. Une solution immédiate pour réaliser une commande variable de l'énergie dans 'un accélérateur linéaire est de modifier la puissance envoyée par la.,source à haute fréquen- ce àux cavités accélératrices. Plus le champ électrique accélérateur, auquel est soumis le faisceau de particules lors de la traversée des cavités accélératrices,est faible, plus l'énergie finale est faible. Un atténuateur variable dans le guide d'ondes, qui transmet l'énergie à haute fré- quence entre la source et l'accélérateur, peut assurer une telle variation pouvant être sélectionnée de l'amplitude du champ électrique accélérateur, Cette solution a pour in- convénient d'entraîner une dégradation de la qualité du faisceau accéléré par suite d'un accroissement de la disper- sion AE de l'énergie finale du faisceau. Les dimensions de l'accélérateur peuvent être optimisées pour un ensemble par- ticulier de paramètres de fonctionnement, comme par exemple l'énergie de sortie théorique, le courant du faisceau et l'énergie à haute fréquence d'entrée. Cependant cette optimisation ne sera pas conservée si l'énergie à haute fréquence est modifiée par suite de la vitesse des élec- trons, et par conséquent la phase du faisceau d'électrons par rapport aux tensions à haute fréquence des cavités est modifiée. Il se produit par conséquent une altération de la dispersion étroite soigneusement conçue de l'énergie. Une autre solution de l'art antérieur consiste à monter en cascade deux sections à ondes progressives de cavités d 'accélérateur. Les deux sections sont excitées de façon indépendante à partir d'une source commune avec une atténuation, pouvant être sélectionnée, de l'amplitude et une modification de la phase appliquée à la seconde sec- tion. De tels accélérateurs sont décrits dans les brevets accordés aux Etats-Unis d'Amérique sous les numéros: 2.920.228 (Ginzton) et 3.070.726 (Mallory). Ces structures à ondes progressives sont en soi- moins efficaces que les accélérateurs à ondes stationnaires à couplage latéral étant donné que l'énergie, qui n'est pas transférée au faisceau, doit être dissipée dans une charge après un passage unique de l'énergie des ondes à haute fréquence à travers la struc- ture accélératrice. De même l'impédance de shunt effective des structures à ondes progressives est inférieure à celle présente dans les accélérateurs à ondes stationnaires à cou- plage latéral. Un autre accélérateur de l'art antérieur, décrit dans le brevet accordé aux Etats-Unis d'Amérique sous le No. 4.118.653 au nom de Victor Aleksey Vaguine combine une section à ondes progressives d'un accélérateur, produisant une énergie optimisée et une dispersion optimisée d'éner- gie, à une section suivante d'accélérateur à ondes station- naires. La section à ondes progressives et la section à ondes stationnaires sont toutes deux excitées par une source à haute fréquence commune, avec une atténuation prévue pour l'excitation de la section à ondes stationnaires. Dans la partie à ondes stationnaires de l'accélérateur, il se mani- feste une faible action sur le faisceau accéléré et groupé, pour lequel la vitesse est très proche de la vitesse de la lumière et par conséquent sensiblement indépendante de l'énergie. Cependant cet agencement impose de concevoir et de construire deux types grandement différents de sections d'accélérateur et requiert également un circuit extérieur à micro-ondes, relativement complexe. Un autre accélérateur linéaire à ondes stationnaires, dans lequel il est possible d'avoir un faisceau à énergie variable, est réalisé avec un accélérateur comportant plu- sieurs structures partielles découplées du point de vue électromagnétique. Chaque structure partielle est conçue sous la forme d'un accélérateur couplé par cavités latérales, Les structures partielles distinctes sont coaxiales,mais im- briquées de telle manière que des cavités accélératrices voisines constituent des composants de structures partielles différentes et sont découplées du point de vue électromagné- tique. Par conséquent des cavités voisines peuvent entrete- nir des ondes stationnaires possédant des phases différentes. Le gain en énergie pour un faisceau de particules chargées traversant un tel accélérateur est évidemment une fonction de la distribution de phase. Pour un accélérateur caractéri- sé par deux structures partielles imbriquées de ce type, l'énergie maximum du faisceau est obtenue lorsque des cavi- tés accélératrices voisines ont des phases différentes de w/2, la cavité aval étant déphasée en arrière par rapport à la cavité amont voisine, et la distance entre des cavités accélératrices voisines est égale au 1/4 de la distance pareourue par un électron au cours d'un cycle à haute fréquence. Le régla- ge de la relation de phase entre les structures partielles provoque une variation de l'énergie du faisceau. Un tel accélérateur est décrit dans le brevet accordé aux Etats-Unis d'Amérique sous le No. 4.024.426 au nom de Victor A. Vaguine. Bien que ce dispositif fournisse un bon rendement et une bonne commande de l'énergie, la structure est plus complexe que celle de la présente invention. Il faut ici indiquer également une autre solution proposée dans le brevet accordé aux Etats-Unis d'Amérique sous le No. 4.162.423 au nom du Dr. D.T. Tran. Un autre agencement permettant d'obtenir une énergie variable, et ce tout en conservant le spectre d'énergie, est décrit dans la demande de brevet française No 80 21 672 déposée le 10 Octobre 1980 par la Demanderesse. Dans ce dispositif, la phase du couplage entre deux cavités accélératrices voisines est inversée, ce qui a pour effet que les particules sont décélérées au lieu d'être accélérées dans toutes les cavités successives en aval. Ce dispositif permet de modifier l'énergie au moyen d'un seul échelon incorporé. Afin d'obtenir une gamme d'énergies, il serait nécessaire d'avoir une multiplicité de cavités d'in- version de phase le long de la section de l'accélérateur. Un objet de la présente invention est de fournir un circuit résonateur linéaire à cavités couplées dans lequel les champs dans une partie du circuit peuvent être modifiés d'une quantité désirée par rapport aux champs présents dans l'autre partie. Un autre but de l'invention est de fournir un accélérateur linéaire de particules à cavités couplées, dans lequel l'énergie de sortie des particules peut être modifiée, alors que la distribution des énergies des particules reste inchangée. Ces objectifs sont atteints dans une série normale- ment uniforme de cavités couplées, grâce à une déformation mécanique d'une cavité de manière à rendre son champ élec-- tromagnétique en ondes stationnaires, dissymétrique par rapport à ses moyens de couplage aux deux cavités voisines. Dans la structure usuelle à ondes stationnaires couplée par des cavités latérales, la transformation est réalisée en produisant une distribution dissymétrique du champ dans l'une des cavités latérales. On peut alors faire fonctionner un accélérateur linéaire avec des champs constants dans le premier groupe de cavités traversées par le faisceau, dans lequel la distribution d'énergie des particules est large- ment déterminée. On peut ensuite rdifier l'énergie moyenne des particules en modifiant les champs dans un groupe sui- vant de cavités, sans perturber le spectre de distribution de l'énergie. A titre d'exemple on a décrit ci-dessous et illus- tré schématiquement au dessin annexé une forme de réalisa- tion de l'objet de l'invention. La figure 1 est une vue en coupe transversale axiale schématique d'un accélérateur linéaire conforme à l'inven- tion. La figure 2 est une vue en coupe de détail d'une partie de la figure 1. La figure 3 est une vue en coupe schématique d'une partie d'une forme de réalisation chargée par des capacités. La figure 4 est une vue en coupe schématique d'une forme de réalisation dans laquelle le champ magnétique à haute fréquence est déplacé. La figure 1 est une vue en coupe axiale schématique d'une structure d'accélérateur de particules chargées à ondes stationnaires, conforme à la présente invention. Cette structure comporte une chaîne 10 de cavités résonnantes, couplées du point de vue électromagnétique. Un faisceau linéaire d'électrons est injecté par un canon à électrons 14. Le faisceau 2 peut être soit continu soit pulsé. La structure 10 d'accélérateur à ondes stationnai- res est excité par une énergie à micro-ondes de fréquence proche de la fréquence de résonance qui est de façon typi- que égale à 3 GHz. L'énergie pénètre dans une cavité 16, de préférence la cavité centrale de la chaîne, par l'intermé- diaire d'un diaphragme iris 15. Les cavités de la chaîne 10 sont de deux types. Des cavités accélératrices 16, 18 sont réalisées avec la forme d'un tore et possèdent des ouvertures centrales 17 de passa- ge du faisceau, qui sont alignées de manière à permettre le passage du faisceau 12. Les cavités 16 et 18 comportent des becs saillants 19 possédant une forme optimisée de manière à accroître le rendement de l'interaction de l'énergie à micro-ondes et du faisceau électronique. Pour des accéléra- teurs d'électrons, les cavités 16 et 18 sont toutes identi- ques étant donné que le faisceau d'électrons 12 se propage déjà à une vitesse proche de la vitesse de la lumière lors- qu'il pénètre dans la chaîne de l'accélérateur 10. Les cavités accélératrices voisines 16, 18 sont couplées du point de vue électromagnétique l'une à l'autre par l'intermédiaire d'une cavité "latérale" ou "de couplage" 20, qui est couplée à chacune des deux cavi- tés au moyen d'un diaphragme iris 22. Les cavités de coupla- ge 20 résonnent à la même fréquence que les cavités accélé- ratrices 16, 18 et n'entrent pas en interaction avec le faisceau 12. Dans cette forme de réalisation, ces cavités possèdent une forme cylindrique avec deux conducteurs cen- traux saillants 24. La fréquence d'excitation est telle que la chaîne est excitée à la résonance en ondes stationnaires avec un déphasage égal à e/2 radians entre chaque cavité de cou- plage ou chaque cavité accélératrice et la cavité aval voi- sine. Ainsi il existe un décalage des radians entre des cavités accélératrices voisines 16, 18. Le mode à décalage de Â/2 présente plusieurs avantages. Il présente la sépara- tion la plus importante de la fréquence de résonance par rapport aux modes voisins, qui pourraient être excités ac- cidentellement. De même, lorsque la chaîne 10 possède une terminaison correcte, il existe de très faibles champs électromagnétiques dans les cavités de couplage 20, de sorte que les pertes d'énergie dans ces cavités sans inter- action réciproque sont faibles. Les cavités accélératrices terminales 26 et 28 sont réalisées sous la forme d'une moitié d'une cavité intérieure 16, 18 et par conséquent la structure globale de l'accélérateur est symétrique par rap- port au coupleur d'entrée à haute fréquence 15. L'écartement entre les cavités accélératrices 16, 18 est égal d'environ la moitié d'une longueur d'onde dans l'espace libre, de sorte que les électrons accélérés dans une cavité 16 pénètrent dans la cavité accélératrice suivan- te en étant en phase correcte par rapport au champ à micro- ondes pour y subir une accélération supplémentaire. Après avoir été accéléré, le faisceau 12 rencontre une cible 32 de production de rayons X. Sinon l'élément 32 peut être une fenêtre métallique d'étanchéité au vide, suffisamment mince pour transmettre les électrons en vue d'une irradia- tion d'un sujet par des particules. Si toutes les cavités accélératrices 16, 18 et tou- tes les cavités de couplage 20 sont similaires et sont symétriques par rapport à leurs plans axiaux, le champ pré- sent dans toutes cavités accélératrices sera essentielle- ment le même. Pour régler l'énergie de sortie finale du faisceau 12, l'une des cavités de couplage 34 est construite de telle manière qu'on peut la rendre dissymétrique au moyen d'un réglage mécanique. La dissymétrie géométrique entraîne une dissymétrie de la distribution du champ électromagnétique dans la cavité de couplage 34, de sorte que la composante de champ magnétique est Plus importante au niveau d'un iris 38 qu'au niveau de l'autre iris 40. Le champ magnétique cou- plé est par conséquent supérieur dans les cavités précéden- tes 16 couplées par l'intermédiaire de l'iris 38 à celui des cavités suivantes 18 couplées par l'intermédiaire de l'iris 40. Etant donné que les cavités 16, 18 sont identiques, le rapport des champs accélérateurs dans les cavités 16 et 18 est directement proportionnel au rapport des champs magné- tiques au niveau des iris 38 et 40. En modifiant le degré de dissymétrie magnétique dans la cavité de couplage 34, il est possible de modifier la tension à haute fréquence du champ accélérateur dans la cavité 18 suivante, tout en con- servant le champ accélérateur constant dans la cavité 16 au voisinage de la région d'injection du faisceau. Par consé- quent l'énergie des électrons du faisceau de sortie peut être réglée de façon sélective. Etant donné que la formation des regroupements d'électrons à partir d'un faisceau initial continu s'effec- tue dans les premières cavités 16 traversées, le regroupe- ment peut y être optimisé et n'est pas altéré par le champ accélérateur variable présent dans les cavités de sortie 18. La dispersion des énergies dans le faisceau de sortie est par conséquent rendue indépendante de l'énergie moyenne variable de sortie des électrons. L'énergie variable transférée par les cavités de sortie 18 au faisceau modifiera naturellement l'impédance de charge vue par la source à microondes (non représentée) produisant une faible énergie à micro-ondes réfléchie à partir du diaphragme iris 15. Cette modification est faible et peut être aisément compensée soit par une impédance variable soit par réglage de l'énergie d'entrée à micro- ondes. Lors du fonctionnement, le champ accélérateur maxi- mum est limité d'une manière générale par une formation d'arc sous vide poussé à travers la cavité. Ainsi le champ dans les cavités de sortie 18 sera modifié en général de- puis une valeur égale au champ présent dans les cavités d'entrée 16 pour une énergie maximum du faisceau, en étant réduit à une valeur inférieure pour une énergie réduite du faisceau. - Dans l'accélérateur de la figure 1, on réalise la dissymétrie de la cavité 34 en prolongeant une borne de l'un des conducteurs centraux 36, tout en raccourcissant la borne de l'autre conducteur 36. La fréquence de résonance de la cavité 34 peut être maintenue constante au moyen d'un réglage de l'intervalle entre les bornes des conducteurs 36, Le champ magnétique à haute fréquence sera supérieur sur le côté comportant le conducteur central 36 possédant la borne la plus longue et par conséquent le coefficient de couplage avec la cavité voisine sera supérieur de ce côté. La figure 2 représente de façon plus détaillée la cavité 34. Les bornes des conducteurs centraux 36 sont dé- placées de façon indépendante à l'intérieur de colliers fixes 41. Le contact pour la circulation du courant à haute fréquence est établi à l'aide de ressorts hélicoidaux 42 constitués par exemple par un fil de tungstène. Le dépla- cement est transmis par l'intermédiaire de la paroi de séparation du vide de la section de l'accélérateur 10 par l'intermédiaire de soufflets métalliques 43. Le déplacement de la borne d'un conducteur est programmé de façon indivi- duelle de manière à maintenir constante la fréquence de résonance de la cavité de couplage 34. Il apparaîtra à l'évidence aux spécialistes de la technique, qu'il est possible d'utiliser de très nombreux moyens pour modifier une cavité, et par conséquent son champ électromagnétique, d'une forme symétrique à un degré réglable de dissymétrie. Les mécanismes des figures 2, 3 et 4 ne sont que des exemples choisis. Sur la figure 3 la dissymétrie est obtenue au moyen de l'application d'une charge capacitive à la cavité coaxiale 34'. Deux-plaques de charge capacitive 46 sont déplacées selon des mouvements symétriques coordonnés, une plaque étant plus proche d'un conducteur centré fixe 36', tandis que l'autre est déplacée en étant plus éloignée de l'autre conducteur central fixe 36'. Le courant circulant dans la cavité et par conséquent le champ magnétique à haute fréquence sont accrus à l'extrémité de la cavité 34', o la charge capacitive est accrue, et réciproquement. Les plaques de charge 46 sont montées sur des poussoirs 48 qui sont déplacés dans le vide par l'intermédiaire de soufflets métalliques 50. Une barre 52 a r t i c u 1 é e en son milieu coordonne le déplacement symétrique. La figure 4 représente le cas d'une charge inductive dissymétrique variable. Deux anneaux métalliques massifs 54 remplissent la majeure partie de la section en coupe trans- versale de la cavité coaxiale 34" et comportent des ouver- tures qui permettent leur déplacement parallèlement, mais sans aucun contact, à des conducteurs centraux fixes 36". Lorsque ces anneaux sont déplacés dans la même direction, l'inductance est réduite à l'extrémité de la cavité 34", en direction de laquelle ils se déplacent, et réciproquement. L'anneau de charge tend également à recouvrir l'iris voisin 22", ce qui réduit en supplément le couplage avec la cavité d'interaction 16. Les anneaux 54 sont montés ensemble sur une ou plusieurs tiges diélectriques 56 et sont déplacés axialement par l'intermédiaire d'un joint d'étanchéité sous vide à soufflet 58. Dans une forme de réalisation légèrement différente, il est possible d'utiliser uniquement un seul anneau 54, en le déplaçant depuis une extrémité de la cavité de couplage en direction de l'autre extrémité. Bien que l'anneau unique ou les deux anneaux 54 soient de préférence réalisés en un métal, ils peuvent être également constitués par un diélectrique. Dans les formes de réalisation représentées ci- dessus, la cavité couplée de façon dissymétrique est une cavité latérale. Il s'agit là de la forme de réalisation préférée. Si l'accélérateur est du type ne comportant pas de cavités latérales, alors la dissymétrie peut être obtenue dans une cavité qui est traversée par le faisceau de parti- cules. Les indications données précédemment ne concernent que des exemples sélectionnés parmi les nombreuses formes de réalisation différentes possibles de l'invention, qui pourraient venir à l'esprit des spécialistes de la techni- que. Tout moyen permettant d'obtenir des champs à dissymé- trie réglable dans n'importe quelle cavité de la chaîne, produira l'effet désiré. C'est pourquoi la présente inven- tion ne se trouve pas limitée par les exemples cités et toute modification ou variante, pouvant y être apportée, entre dans le cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Accélérateur de particules, caractérisé en ce qu'il comporte une chaîne (10) de cavités électromagnétiques résonnantes (16, 18, 20), couplées en série et résonnant ap- proximativement à la même fréquence, l'une des cavités (20) étant couplée à chacune de deux cavités voisines (16, 18), et des moyens (34, 36; 34', 36'; 34", 36") pour modifier la distribution du champ électromagnétique à l'intérieur de ladite cavité (20) de telle manière que le couplage du champ avecune première (16, 18) des cavités voisines soit modi- fié par rapport au couplage du champ avec la seconde (18, 16) des cavités voisines. 2. Accélérateur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les moyens (34, 36; 34', 36'; 34",36") caoeortent des moyens (36; 36'; 36") pour produireun degré variable de dissymétrie dans la configuration de la cavité (20) par rapport aux cavités voisines (16, 18). 3. Accélérateur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le couplage est réalisé au moyen d'iris (38, 40) et que les moyens (34, 36; 34', 36'; 34"11, 36") pour modifier la distribution du champ comportent des moyens permettant de modifier la distribution du champ magnétique de la cavité résonnante par rapport aux iris (38, 40). 4. Accélérateur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que ladite cavité (20) ccuplée à chacune de deux cavités voisines (16,18) est cylindrique et possède un conducteur central rentrant (24) possédant une longueur réglable mécaniquement. 5. Accélérateur selon la revendication 4, caracté- risé en ce que ladite cavité (20) couplée à chacune de deux cavités voisines (16,18)ccnporte deux conducteurs centraux rentrants opposes (24) possédant chacun une longueur réglable mécaniquenent. 6. Accélérateur selon la revendication 5, caracté- risé en ce que les moyens de réglage mécanique comprennent des dispositifs (43; 50; 52; 58) permettant d'accroitre la longueur de l'un des conducteurs centraux (36; 36'; 36") et de réduire la longueur de l'autre conducteur. 7. Accélérateur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que toutes les cavités voisines (16,18) caportent des ouvertures alignées (17) pour le passage d'un faisceau linéaire (12) de particules. 8. Accélérateur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la chaîne (10) comporte deux ensembles de cavités (16, 18, 20), que les cavités (16, 18) d'un premier des deux ensembles sont disposées en alternance dans la chaine en série (10) avec les cavités (20) de l'autre desdits ensembles et que les cavités (16, 18) du premier ensemble possèdent une forme différente de celle des cavités (20) du second ensemble. 9. Accélérateur selon la revendication 8, caracté- risé en ce que les cavités (16, 18) du premier ensemble sont des cavités accélératrices possédant des ouvertures alignées (17) permettant le passage d'un faisceau linéaire (12) de particules et que les cavités (20) du second ensemble sont des cavités de couplage situées à distance du faisceau (12). 10. Accélérateur selon la revendication 8, caracté- risé en ce que la chaîne (10) est apte à résonner avec un déphasage égal à n/a radians entre des cavités voisines 16, 18, 20). 11. Accélérateur selon la revendication 9, caracté- r i s é en ce cu'il comprend des moyens de réglage mécanique coeportant des dispositifs (43; 50, 52; 58) pour produire une dissy- métrie variable dans la configuration de la cavité de coupla- ge (34; 34'; 34") par rapport aux éléments du couple de cavités accélératrices (17, 18). 12. Accélérateur selon la revendication 11, caracté- risé en ce qu'une cavité de couplage (34; 34'; 34") est coaxiale et possède un conducteur central rentrant (36; 36'; 36") possédant une longueur réglable mécaniquement. 13. Accélérateur selon la revendication 11, caracté- risé en ce que la cavité de couplage (34; 34'; 34")est coaxiale et possède un couple de conducteurs centraux ren- trants opposés (36; 36'; 36") qui ont chacun une longueur réglable mécaniquement. 14. Accélérateur selon la revendication 13, caracté- risé en ce qu'il comporte en outre des moyens (43; 52) pour accroître simultanément la longueur de l'un des conduc- teurs centraux (36; 36'), tout en diminuant la longueur de l'autre conducteur.