Brevet FR2551617A1 — publié le 19850308

STRUCTURE ACCELERATRICE LINEAIRE AUTOFOCALISANTE DE PARTICULES CHARGEES L'invention concerne une structure accélératrice linéaire autofocalisante de particules chargées, destinée à équiper un accélérateur linéaire d'électrons. Des accélérateurs linéaires de particules chargées sont uti5 lisés dans de nombreux domaines tels que, scientifiques, médicaux, et même industriels Selon leur application, ces accélérateurs produisent des faisceaux de particules, d'électrons par exemple, ayant des énergies souvent comprises entre un et plusieurs dizaines de Me V. La puissance électrique consommée par ces accélérateurs est considérable, elle peut atteindre par exemple 130 Kw dont seulement 20 Kw se retrouvent dans le faisceau accéléré; aussi le rendement global d'un tel accélérateur a une répercussion directe et importante sur le coût d'utilisation de cet accélérateur, et une 15 amélioration de son rendement par l'optimisation des éléments qui le constitue, est un souci constant des spécialistes, l'amélioration du rendement étant également souvent liée à l'amélioration des qualités du faisceau obtenu. Les structures accélératrices linéaires d'électrons sont généra20 lement formées par une succession de cavités résonantes, dont les dimensions sont liées à la fréquence d'une onde électromagnétique injectée dans la structure pour accélérer les électrons, et à la vitesse des électrons. Traditionnellement, les structures accélératrices sont opti25 misées en ce qui concerne la dynamique longitudinale: on choisit les longueurs des cavités résonantes, qui constituent des cavités accélératrices, de façon à accélérer constamment dans chacune d'elles les électrons. La partie accélératrice de l'onde électromagnétique est au 30 maximum égale à sa demie période, et pour bénéficier d'un maxi- mum d'énergie cédée par cette onde aux électrons, c'est-à-dire d'une valeur élevée du coefficient dit "d'angle de transit", ces cavités ont couramment une longueur I sensiblement égale au produit du quart au tiers de la longueur o o de l'onde électromagnétique par la vitesse relative /3 des électrons, selon la relation suivante: 1 /3 o; n o /3 est le quotient de la vitesse V moyenne des électrons par la vitesse C de la lumière QS = V), et h est compris entre 3 et 4. Cette longueur, définie dans le cadre du calcul d'une cavité clas10 sique, est appelée longueur accélératrice. Ainsi par exemple, dans le cas d'une structure accélératrice fonctionnant à 3000 MHZ, soit une longueur d'onde / o égale à 100 mm et pour /l = 0,5, les cavités accélératrices ont une longueur de l'ordre de 12 à 16 mm environ, augmentant progressivement pour 15 atteindre 25 à 33 mm lorsque /3 = 1. Cette approche traditionnelle o l'optimisation est limitée à la dynamique longitudinale, est imparfaite notamment par ce qu'elle ne prend pas en compte un effet de défocalisation radiale du faisceau le long de la structure accélératrice, cet effet s'affirmant particu20 lièrement dans la première partie de cette structure o l'énergie des électrons est encore faible. Cette défocalisation du faisceau est généralement compensée en ajoutant des solénoïdes disposés concentriquement autour de la structure accélératrice, pour créer un champ magnétique cor25 recteur, ce qui augmente le coût et la complexité. La présente invention concerne une structure accélératrice de particules chargées autofocalisante, dans laquelle l'effet de défocalisation du faisceau est évité par l'annulation de l'une de ses causes, contrairement aux structures selon l'art antérieur o cet effet est 30 seulement compensé. Dans la structure accélératrice selon l'invention, ceci est obtenu grâce à un agencement simple et peu co Oteux de l'unique ou de la première cavité accélératrice de cette structure, et particu- 2 D 516 ili lièrement applicable dans le cas o, dans cette cavité, le trou de sortie du faisceau a un diamètre inférieur à la longueur accélératrice précédemment mentionnée; cet agencement est remarquable en ce qu'il permet, dans ce dernier cas, de tenir compte de ce que la 5 composante radiale du champ électrique dans la cavité accélératrice constitue une des causes principales de la divergence de particules chargées périphériques du faisceau, et que cette composante radiale est localisée à proximité des faces d'entrée et de sortie de la cavité et a des effets contraires à l'entrée et à la sortie de cette cavité. Selon l'invention, une structure accélératrice linéaire autofocalisante de particules chargées, comportant une première cavité accélératrice d'une succession de cavités accélératrices, permettant d'accélérer un faisceau de particules chargées sous l'effet d'une onde électromagnétique de fréquence F donnée injectée dans ladite 15 structure, ladite première cavité ayant un axe confondu avec un axe longitudinal de ladite structure et l'axe dudit faisceau, et comportant une face d'entrée et une face de sortie munies respectivement d'un trou d'entrée et d'un trou de sortie dudit faisceau, est caractérisée en ce que la distance entre les faces d'entrée et de sortie de 20 ladite première cavité est formée par une longueur accélératrice, plus une longueur supplémentaire destinée à retarder l'instant d'arrivée des particules à la face de sortie. Nous entendons par longueur accélératrice, une longueur sur laquelle les électrons sont accélérés ainsi qu'il a été expliqué ci25 dessus, cette longueur accélératrice étant définie par la relation qui suit: -longueur accélératrice = / o o, o: = V n -n = 3 à 4. Du fait de la longueur supplémentaire entre la face d'entrée et la face de sortie de cette première cavité de la structure accélératrice selon l'invention, les particules ne sont pas soumises à l'action défocalisante de la composante radiale localisée près de la face de sortie, cette composante radiale étant soit en cours de disparition, 2551617 ' soit même devenue focalisante; le seul inconvénient mineur consiste en une légère décélération de ces particules, avant qu'elles n'aient franchi le trou de sortie. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description 5 qui va suivre d'un mode de réalisation d'une structure accélératrice selon son principe, faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe de la structure accélératrice selon l'invention; la figure 2 illustre l'onde électromagnétique injectée dans cette structure; la figure 3 illustre la trajectoire d'un électron accéléré. La figure I montre partiellement une structure accélératrice linéaire 1 conforme à l'invention, comportant une première cavité 15 accélératrice CA suivie de N cavités accélératrices C 1,, Cn, n étant dans l'exemple décrit égal à 2 On n'a pas fait figurer ctéventuelles cellules dites de couplage, lesquelles constituent des éléments classiques disposés entre les cavités C 1,, Cn d'une manière connue. La structure I comporte un axe longitudinal Z, 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 sur la figure 1) 25 injectée de manière classique dans la structure 1 par un trou de couplage 4. La première cavité CA, de forme cylindrique, comporte une face d'entrée 3 et une face de sortie 5 normales à l'axe du faisceau Z, et écartées l'une de l'autre d'une distance D; la face d'entrée 3 30 est munie d'un trou d'entrée 7, la face de sortie 5 est munie d'un trou de sortie 8, ces deux trous étant centrés sur l'axe Z du faisceau. Le faisceau de particules, provenant par exemple, d'une manière connue, d'un canon à électrons suivi d'un élément de glissement (non représentés), pénètre dans la première cavité accélératrice CA par 2)5 1 6 'i 7 le trou d'entrée 7, et ressort de cette cavité CA par le trou de sortie 8, se propageant dans la structure I dans le sens montré par la flèche 2. Compte tenu de la vitesse des particules, elles sont accélérées sur un trajet tel que par exemple la longueur accélératrice L 1 qui, dans l'invention correspond à une fraction de la distance D entre la face d'entrée 3 et la face sortie 5 de la première cavité CA; dans l'exemple non limitatif décrit, la longueur accélératrice L 1 correspond à une longueur sensiblement égale à la relation /3 A' n o: N = 3 à 4, /N o est la longueur d'onde de l'onde électromagnétique, et o /3 correspond à la vitesse relative des électrons. Cette vitesse relative des électrons est calculée en prenant la moyenne entre la vitesse d'entrée dans la première cavité CA, et la vitesse maximum atteinte dans cette cavité à la sortie de la longueur accélératrice L 1 Il est à remarquer que certains électrons sont décélérés au tout début de leur trajectoire, ce dont on ne tient pas compte dans l'approximation de la longueur accélératrice L 1. L'onde électromagnétique injectée dans la structure 1 détermine un champ électrique ayant une composante longitudinale E et 20 des composantes radiales Erl, Er 2, et la distribution et l'intensité de ces composantes radiales est influencée par la dimension des trous d'entrée et de sortie 7,8 Aussi, dans l'exemple non limitatif de la description o les rayons r de ces trous sont égaux, on obtient une localisation des composantes radiales Erl, Er 2, le rayon r des trous 25 7,8 étant suffisamment faible par rapport à la longueur accélératrice L 1 pour que le rapport 2 r soit inférieur à 1 De ce fait: une première composante radiale Er 1 est localisée à proximité de la face d'entrée 3 et a une action globalement convergente Pour certains électrons, elle peut se décomposer en une action divergente 30 suivie d'une action convergente; une seconde composante radiale Er 2 est localisée à proximité de la face de sortie 5, et a une action divergente sur les électrons. Ainsi, en supposant que la distance D entre la face d'entrée 3 et la face de sortie 5 soit uniquement formée par la longueur 2:516 17 accélératrice L 1, des particules périphériques (non représentées) ayant franchi cette distance D et parvenant à proximité du trou de sortie 8 et de la face de sortie 5, subiraient l'influence défocalisante de la composante radiale Er 2 du champ. Au contraire, dans la structure 1 selon l'invention, ces mêmes particules chargées ayant franchi la première longueur accélératrice Li, ne subissent pas l'influence de cette composante radiale Er 2 divergente, dont elles sont encore séparées par une longueur supplémentaire L 2; la distance D entre les faces d'entrée et de sortie 10 étant formées par l'addition de ces deux longueurs L 1 + L 2, et la longueur supplémentaire L 2 étant égale ou supérieure à deux fois le rayon r du trou de sortie 8 (L 2 > 2 r) Il est à noter que les trous d'entrée et de sortie 7,8 comportent en général des becs, non représentés sur la figure I qui est schématique, et le rayon r 15 représente un rayon approximatif moyen du trou de sortie 8. La longueur supplémentaire L 2 est telle que l'onde électromagnétique est annulée, voire même inversée quand ces particules ont franchi la distance D, elles sortent de la première cavité CA par le trou de sortie 8 sans diverger; elles peuvent même, si la phase de 20 l'onde électromagnétique est inversée, subir une action convergente et une faible décélération, la composante radiale étant alors inversée également On note que cette longueur supplémentaire L 2, de la première cavité CA, favorise aussi l'action convergente à l'entrée de la cavité accélératrice suivante C 1 qui constitue la seconde cavité. 25 Dans l'exemple non limitatif décrit, la distance D entre la face de sortie 5 de la première cavité CA et le plan d'entrée 15 de la seconde cavité C 1 est inférieure à la longueur accélératrice L 1, et assure ainsi une convergence sensible à l'entrée de cette seconde cavité C 1, compte tenu du déphasage de l'onde électromagnétique 30 entre cavités CA, C 1, C 2 Ainsi l'effet combiné de l'entrée de la première cavité CA, de la sortie de cette première cavité et de l'entrée de la seconde cavité C 1 est optimisé; ensuite le gain en énergie est tel que l'effet-de la sortie de la seconde cavité C 1 est (presque) négligeable Par souci de simplicité on ne parle pas de cet 2 â 516 17 effet de convergence à l'entrée de la seconde cavité C 1 dans ce qui suit. La longueur supplémentaire L 2 est définie par la relation suivante: L 2 = Ll K, o K est un coefficient compris entre 0,5 et I. 5 Dans une réalisation de la structure accélératrice I conforme à l'invention, indiquée à titre d'exemple non limitatif, la première cavité accélératrice CA comporte des dimensions suivantes: un rayon R de la cavité CA est de 40 mm la distance D entre la face d'entrée 3 et la face sortie 5 est de 10 25 mm; cette distance D étant constituée d'une longueur accélératrice L 1 de 15 mm, à laquelle s'ajoute la longueur supplémentaire L 2 de mm; le rayon r du trou de sortie 8 est de 3 mm la différence de potentiel entre la face d'entrée 3 et la face de 15 sortie 5 est de l'ordre de 500 KV, et la fréquence de l'onde électromagnétique est de 3000 MHZ. La distribution du champ électrique étant symétrique par rapport à l'axe Z du faisceau, elle n'est pas représentée dans la partie inférieure de la première cavité CA. Cette distribution du champ électrique dans la première cavité accélératrice CA, correspond à l'existence dans cette dernière d'un champ accélérateur. La figure 2 montre l'onde électromagnétique OE dont une demie période P détermine ce champ accélérateur et dont la partie de l'onde OE comprise d'une part entre un instant to et l'instant tl, et d'autre part entre un instant t 3 et un instant t 4 détermine un champ décélérateur; l'instant t 2 correspondant à la valeur crête de la demie période P o le champ accélérateur Zo est maximum. En prenant comme référence l'instant t 2 o le champ accélé30 rateur est maximum (Zo), des électrons peuvent arriver dans la première cavité accélératrice CA avec des phases d'arrivées ( o de valeurs quelconques Mais pour éviter l'effet de défocalisation dû à la composante radiale Er 2 localisée près de la face de sortie 5, ces électrons devront franchir la distance D et parvenir à proximité de 25516 1 7 cette face de sortie, sensiblement à l'instant t 3 o le champ accélérateur s'annule, grâce à la longueur supplémentaire L 2. En prenant pour exemple un électron (non représenté) dont la phase d'arrivée N o dans la première cavité CA est en avance de 5 170 par rapport à Zo ou instant t 2: cet électron subit un champ décélérateur à proximité de la face d'entrée 3 jusqu'à l'instant tl ou l'onde OE s'inverse et o le champ devient accélérateur; l'action de la composante radiale Erl, localisée près de la face d'entrée 3, est de ce fait d'abord divergente puis convergente quand le champ 10 devient accélérateur, et son action est globalement convergente. Cet électron ralenti est rejoint par des électrons entrés dans la cavité CA après lui Aussi l'agencement de la première cavité CA de la structure 1 selon l'invention permet d'éviter l'effet de défocalisation en sortie pour une large gamme de valeurs de phase 15 d'arrivée O o, par exemple comprises entre 45 et 190 par rapport à Zo ou l'instant tl. La figure 3 illustre la trajectoire d'un électron périphérique du faisceau, et montre les composantes de champ Er, Ez vues à des instants différents, compte tenu de la vitesse finie de l'électron. La cavité accélératrice est symbolisée par ses parois d'entrée et de sortie 3, 5 La courbe 10 montre la trajectoire d'un électron pénétrant dans la première cavité CA avec une phase d'arrivée O o égale à 170 , et à une distance d de l'axe Z du faisceau: à l'instant O o le champ est décélérateur comme montré par la 25 composante longitudinale Ez,, et la composante radiale Er 1 est défocalisante; à l'instant O 1 le champ est accélérateur (composante longitudinale Ez) et la composante radiale Er 1 est focalisante; il est à remarquer qu'à cet instant la trajectoire 10 est très proche de la face d'entrée 30 3, l'électron ayant subi préalablement une décélération, et s'est davantage écarté de l'axe Z du faisceau; a l'instant O 3 le champ est nul, l'électron sort de la premiere cavité CA et tend à converger vers l'axe Z du faisceau. En supposant que la distance D entre la face d'entrée 3 et la face de sortie 5 ait été constituée uniquement par la longueur accélératrice L 1, la face de sortie 5 aurait occupée la position de la ligne Il en traits pointillés et, le champ auquel aurait alors été soumis l'électron à sa sortie de la première cavité CA est représenté en traits pointillés par les composantes Er 2 et Ez; la trajectoire de l'électron aurait été modifiée selon la flèche 12 représentée en traits pointillés, laquelle tend à diverger de l'axe Z du faisceau. Cette description montre que la structure accélératrice I conforme à l'invention, élimine l'effet de défocalisation des particules chargées périphériques du faisceau, à la sortie d'une cavité accélératrice Cette élimination de l'effet de divergence est obtenue par un agencement simple, économique, qui permet d'augmenter le rendement d'un accélérateur linéaire de particules char15 gées. REVENDICATIONS 1 Structure accélératrice linéaire autofocalisante de particules chargées, comportant une première cavité accélératrice (CA) d'une succession de cavités accélératrices (CA, C 1, C 2), permettant d'accélérer un faisceau de particules chargées sous l'effet d'une onde 5 électromagnétique (O E) de fréquence F donnée injectée dans ladite structure ( 1), ladite première cavité (CA) ayant un axe confondu avec un axe longitudinal (Z) de ladite structure ( 1) et l'axe dudit faisceau, et comportant une face d'entrée ( 3) et une face de sortie ( 5) munies respectivement pour le passage dudit faisceau d'un trou 10 d'entrée ( 7) et d'un trou de sortie ( 8) ayant un rayon (r) donné, caractérisée en ce que la distance (D) entre les faces d'entrée et de sortie ( 3, 5) de ladite première cavité (CA) est formée par une longueur accélératrice (L 1), plus une longueur supplémentaire (L 2) destinée à retarder l'instant ( O 3) d'arrivée des particules à la face 15 de sortie ( 5). 2 Structure accélératrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que la longueur supplémentaire (L 2) est liée à la longueur accélératrice (L 1) par la relation: L 2 = L 1 x K, K étant un coefficient compris entre 0,5 et 1. 3 Structure accélératrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que la longueur supplémentaire (L 2) est égale ou supérieure à deux rayons (r) du trou de sortie ( 8): L 2 2 r. 4 Structure accélératrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première cavité accélératrice (CA) est suivie 25 d'une seconde cavité accélératrice (C 1) comportant un plan d'entrée ( 15) dont la distance (D 1) à la face de sortie ( 5) de la première cavité (CA) est inférieure à la longueur accélératrice (L 1).