Brevet FR2546360A1 — publié le 19841123

CAVITE ACCELERATRICE AUTOFOCALISANTE DE PARTICULES CHARGEES La présente invention concerne une cavité accélératrice auto- focalisante de particules chargées, particulièrement destinée à former la première ou l'unique cavité accélératrice d'une structure accélératrice d'accélérateur linéaire. Dans des accélérateurs linéaires de particules chargées, il est connu qu'une difficulté importante est due à la défocalisation du faisceau de particules chargées le long de la structure accélératrice, et cela notamment dans la première partie de l'accélérateur; cet effet s'affirmant d'autant plus que l'énergie des particules est encore faible. L'une des conséquences de la défocalisation du faisceau est qu'elle augmente le nombre de particules situées hors du domaine d'acceptance de l'accélérateur; ceci entrainant une dégradation des qualités du faisceau de particules accéléré obtenu, telles que par exemple l'homogénéité en énergie, et peut porter également sur le rendement global de l'accélérateur linéaire. Aussi une correction de cet effet de défocalisation est parti- culièrement utile dans la première ou éventuellement l'unique cavité accélératrice de la structure accélératrice Cet effet peut être corrigé en ajoutant des sénéloides, disposés concentriquement autour de la structure accélératrice, pour créer un champ magné- tique correcteur. Cette solution peut être envisagée, malgré son coût important, si la structure a une faible section, l'onde électromagnétique injec- tée dans cette structure pour l'accélération du faisceau ayant une fréquence élevée (généralement 3000 MHZ); la longueur d'onde est alors faible et, la fréquence de résonance des cavités accélératrices est obtenue avec de faibles dimensions géométriques de ces dernières. _ 2 - Cette solution est d'autant plus onéreuse et difficile à appli- quer, que la section de la structure accélératrice augmente, et devient pratiquement impossible à appliquer quand l'accélérateur linéaire fonctionne en ondes métriques; le diamètre de la structure accélératrice pouvant alors être compris entre 1 à 2 mètres. La présente invention a pour but de corriger la défocalisation d'un faisceau de particules chargées, grâce à l'agencement nouveau d'une cavité accélératrice; cet agencement étant d'une part, d'un faible coût, comparé à la solution des sélénoides, et d'autre part applicable à tous les cas précédemment mentionnés. Selon l'invention, une cavité accélératrice autofocalisante de particules chargées, destinée à constituer la première ou l'unique cavité d'une structure accélératrice linéaire, comportant une paroi d'entrée munie d'un orifice d'entrée centré sur un axe longitudinal, cet axe longitudinal étant confondu avec laxe d'un faisceau de particules chargées accéléré sous Peffet d'une onde électro- magnétique, ledit faisceau pénétrant dans la cavité par Porifice d'entrée, est caractérisé en ce que au moins une zone centrale de la paroi d'entrée est inclinée sur l'axe longitudinal et s'en écarte dans le sens de propagation du faisceau, de manière à former une surface de révolution admettant ledit axe longitudinal comme axe de révolution et, constituer par cette surface de révolution une lentille focalisatrice des particules chargées. Nous attribuons l'effet de focalisation des particules chargées, dans une cavité accélératrice selon l'invention, à une distribution des composantes de champ électrique différente de celle existant dans une cavité accélératrice selon l'art antérieur Les cavités accélératrices pour structure accélératrice linéaire de particules chargées, sont constituées par des cavités résonnantes qui, dans l'art antérieur, comportent une paroi d'entrée normale à l'axe du faisceau de particules; ces cavités résonnantes sont excitées sur un mode tel, que la composante de champ électrique maximum est sur l'axe du faisceau, des lignes de champ au voisinage de l'axe du faisceau étant alors parallèles à cet axe. -3 - Nous pensons que dans la cavité accélératrice selon l'inven- tion, l'inclinaison de la paroi d'entrée sur l'axe du faisceau, symétri- quement par rapport à ce dernier, détermine au champ électrique une composante-radiale, tout en conservant la composante maximum de champ électrique sur l'axe du faisceau; cette composante radiale tendant à ce que les lignes de champ au voisinage de l'axe, convergent vers cet axe, entraînant un effet de focalisation des particules chargées. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, et des deux figures annexées parmi lesquelles: la figure 1 montre schématiquement par une vue en coupe longitu- dinale, une structure accélératrice munie d'une cavité accélératrice autofocalisante conforme à l'invention; la figure 2 représente une variante d'une cavité accélératrice autofocalisante selon l'invention. La figure 1 montre partiellement, une structuré accélératrice linéaire 1 de particules chargées comportant une première cavité formée d'une cavité accélératrice CA conforme à l'invention, suivie de N cavités accélératrices CI,C 2, N étant dans l'exemple égal à 2. La structure 1 comporte un axe longitudinal 3, confondu avec l'axe de la première cavité CA, et qui constitue également l'axe d'un faisceau de particules (non représenté) se propageant dans le sens de la flèche 2; ce faisceau de particules est accéléré grâce à l'énergie d'une onde électromagnétique (non représentée) injectée de manière classique dans la structure 1 par un moyen de couplage 4 Dans l'exemple non limitatif décrit, l'onde électromagnétique est injectée dans une cavité accélératrice CI, qui suit la première cavité accélé- ratrice CA; cette onde pouvant également être injectée à un autre niveau, et notamment à celui de la première cavité CA, quand cette dernière constitue d'une manière connue, l'unique cavité accéléra- trice d'une structure (non représentée). Des moyens de couplage entre les cavités CA,C 1,C 2, ainsi que d'autres détails de la structure accélératrice i ne sont pas repré- sentés, cette structure étant, à part la forme de la première cavité accélératrice CA selon l'invention, d'un type classique. Le faisceau de particules provenant par exemple, d'une ma- nière connue d'un canon à électrons suivi d'un élément de glissement (non représentés), pénètre dans la première cavité accélératrice CA par un orifice d'entrée 7; cet orifice d'entrée 7 est centré sur l'axe longitudinal 3 ou axe 3 du faisceau, et débouche dans une paroi d'entrée 8 de la première cavité accélératrice CA. Dans l'exemple non limitatif de la description, la paroi d'en- trée 8 comporte une zone centrale ZC qui, à partir de l'orifice d'entrée 7, est inclinée sur l'axe 3 du faisceau et s'en écarte dans le sens 2 de propagation de ce dernier, de manière à former une surface de révolution 10 admettant l'axe 3 du faisceau comme axe de révolution; cette surface de révolution 10, de forme conique dans l'exemple non limitatif décrit, étant également définie d'une part, par une génératrice formée d'une droite Il confondue dans le plan de la figure avec la surface de révolution 10, et d'autre part, par une directrice constituée d'un cercle 9 qui, dans le plan de la figure, forme une droite représentée en traits pointillés. La surface de révolution 10 est liée à une surface périphé- rique 13 de la paroi d'entrée 8 par une surface intermédiaire 14; cette forme de la paroi d'entrée 8, montrée à titre d'exemple non limitatif, étant destinée à obtenir la fréquence de résonance désirée de la cavité CA selon l'invention. Des essais ont montré qu'il suffit que l'angle O (, formé entre la génératrice Il et l'axe 3 du faisceau, soit légèrement inférieur à 90 pour obtenir un effet de focalisation des particules chargées. Cet effet étant comparable à celui obtenu par exemple par une lentille électrostatique (non représentée). Ainsi qu'il a été précédemment expliqué cet effet de focali- sation est attribué à l'existence, dans la cavité accélératrice CA selon l'invention, d'une composante radiale de champ électrique, provoquée dans Pexemple non limitatif décrit, par l'inclinaison sur l'axe du faisceau 3 d'une zone centrale ZC de la paroi d'entrée 8; des lignes de champ Ll,L 2, L 3 Ln entre la zone centrale ZC et une paroi opposée 12, tendent alors à converger de cette zone centrale vers l'axe 3 du faisceau et, tendent à devenir parallèles à ce dernier. -5 - Une valeur optimum de l'angle oe dépend de l'amplitude désirée de cet effet de focalisation, et sa détermination prend notamment en compte la divergence et l'énergie du faisceau de particules pénétrant dans la cavité accélératrice CA selon l'invention. Il est à signaler qu'un compromis est à établir entre la valeur de l'angle o( et une hauteur H du cône que constitue la surface de révolution 10 Ce compromis est à établir notamment en fonction d'une distance D minimum, à conserver entre la paroi opposée 12 et la surface de révolution 10; ceci afin d'éviter des claquages électri- ques dus aux différences de potentiel (non représentées) entre la paroi opposée 12 et l'arête 25, formée à la jonction de la surface de révolution 10 et de la surface intermédiaire 14. Ainsi dans le cas par exemple d'une structure accélératrice 1 destinée à fonctionner en onde métrique, pour laquelle ainsi qu'il a été expliqué dans le préambule, la focalisation du faisceau est particulièrement intéressante, une cavité accélératrice CA con- forme à l'invention présente des dimensions -suivantes, données à titre d'exemple non limitatif: l'angle O O a une valeur de 70 la hauteur H est de 85 millimètres; la distance D entre l'arête 25 et la paroi opposée 12 est de 450 millimètres; une distance DI entre la surface périphérique 13 de la paroi d'entrée 8 et la paroi opposée 12, est de 650 millimètres; la différence de potentiel crête entre la paroi d'entrée 8, et la paroi opposée 12, étant de l'ordre de 6 à 7 MV. Il est à remarquer à ce propos que la génératrice 11 de la surface de révolution 10 pourrait être prolongée, comme il est montré par la ligne en traits pointillés l IA; la paroi 8 étant ainsi totalement inclinée sur l'axe longitudinal 3 Cette configuration est possible dans le cas o la différence de potentiel entre la paroi d'entrée 8 et la paroi opposée 12 est assez faible pour éviter le claquage, comme c'est souvent le cas dans une cavité de prégrou- Z 5436 016 -6 - pement; cette dernière fonction pouvant être avantageusement remplie par la cavité CA selon l'invention, grâce à l'effet de focalisation des particules chargées qu'elle produit. La surface de révolution 10 de la cavité accélératrice CA selon Pinvention, peut également comporter, comme il est montré par la figure 2, une première ou une seconde génératrice courbe ,21 conférant à la surface de révolution 10, soit une forme convexe grâce à la première génératrice courbe 20, soit une forme concave grâce à la seconde génératrice courbe 21. Cette description non limitative, montre qu'une cavité accélé- ratrice conforme à l'invention permet de focaliser les particules chargées d'un faisceau accéléré dans une structure accélératrice linéaire, grâce à la forme de sa paroi d'entrée 8; une telle cavi- té CA apporte une solution simple et applicable à tous les types d'accélérateurs linéaires. 7 - REVENDICATIONS 1 Cavité accélératrice autofocalisante de particules chargées, destinée à constituer la première ou l'unique cavité (CA) d'une structure accélératrice linéaire ( 1), comportant une paroi d'en- trée ( 8) munie d'un orifice d'entrée ( 7) centré sur un axe longitu- dinal ( 7), cet axe longitudinal étant confondu avec l'axe d'un fais- ceau de particules chargées accéléré sous l'effet d'une onde, électro- magnétique, ledit faisceau pénétrant dans la cavité (CA) par l'ori- fice d'entrée ( 7), caractérisée en ce que au moins une zone cen- trale (ZC) de la paroi d'entrée ( 8) est inclinée sur l'axe longitu- dinal ( 3) et s'en écarte dans le sens ( 2) de propagation du faisceau, de manière à former une surface de révolution ( 10) admettant ledit axe longitudinal ( 3) comme axe de révolution et constituer par cette surface de révolution ( 10) une lentille focalisatrice des particules chargées. 2 Cavité accélératrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface de révolution ( 10) comporte une génératrice constituée d'une droite ( 11) formant avec l'axe longitudinal ( 3) un angle (") inférieur à 90 . 3 Cavité accélératrice selon la revendication 2, caractérisée en ce que la droite ( 11) constituant la génératrice forme avec l'axe longitudinal ( 3) un angle (o K) de 70 . 4 Cavité accélératrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface de révolution ( 10) comporte une génératrice constituée par une courbe ( 20,21).