Brevet FR2571919A1 — publié le 19860418

ACCELERATEUR DE PARTICULES A CORRECTION DE FREQUENCE L'invention concerne un accélérateur de particules à correction de fréquence, du type dans lequel les particules sont accélérées sous l'effet d'une onde électromagnétique injectée dans une cavité résonnante. Dans les accélérateurs de ce type, il est primordial que la fréquence de l'onde électromagnétique, délivrée par un générateur hyperfréquence par exemple, corresponde à une fréquence d'accord ou à la fréquence de résonance de la cavité résonnante, pour que le transfert de puissance électromagnétique, du générateur vers la cavité résonnante, soit maximum. L'onde électromagnétique est appliquée à la cavité résonnante par l'intermédiaire d'une ligne de transmission, formée généralement par un guide d'onde dans le cas des hyperfréquences, et une différence entre la fréquence de l'onde électromagnétique, et la fréquence d'accord entraîne une réflexion par la cavité, de tout ou partie de la puissance incidente. Il existe alors dans le guide d'onde, une onde incidente qui se propage du générateur vers la cavité, et une onde réfléchie qui se propage de la cavité vers le générateur; la phase de l'onde réfléchie variant fortement autour de la fréquence d'accord. Ces phénomènes sont utilisés pour élaborer un signal d'erreur qui est appliqué au générateur, pour corriger tout écart de fréquence; le générateur comportant, d'une manière connue, des moyens pour modifier la fréquence de l'onde qu'il génère. A cette fin, avec les dispositifs de correction de fréquence selon l'art antérieur, il est prélevé dans ledit guide d'onde, d'une part un premier signal relatif à l'onde incidente, grâce à un premier coupleur directif, et il est prélevé d'autre part, un second signal relatif à l'onde réfléchie, grâce à un second coupleur directif. Ces signaux sont appliqués aux extrémités opposées d'une seconde ligne de transmission, de type coaxiale, et pour l'un de ces signaux, par l'intermédiaire d'un moyen atténuateur ajustable et d'un moyen déphaseur ajustable. 2 5 7 1 9 1 9 La superposition de l'onde incidente et de l'onde réfléchie engendre une onde stationnaire, dont les maximums et les minimums - occupent, le long de la seconde ligne, des positions définies par le réglage du moyen déphaseur ajustable; le rapport d'un maximum sur un minimum étant déterminé par le réglage de l'atténuateur ajustable. En outre, deux moyens détecteurs détectent l'onde stationnaire dans la seconde ligne, en des points judicieusement espacés et placés à égale distance d'un minimum de l'onde, de manière à obtenir deux signaux de mesure ayant une égale amplitude pour la fréquence d'accord; ceci étant obtenu notamment par le réglage du moyen déphaseur. Ces signaux de mesure sont appliqués à un dispositif d'un type classique, qui en fait la différence, et qui délivre un signal d'erreur ayant une valeur nulle quand la fréquence de l'onde électromagnétique correspond à la fréquence d'accord, ou une valeur positive ou négative selon que ces fréquences sont différentes dans un sens ou dans l'autre. Les deux ondes, directes et réfléchies, doivent être absorbées après passage dans la seconde ligne de transmission, ce qui nécessite pour chacune de ces ondes, un élément absorbeur tel qu'un isolant hyperfréquence. L'agencement des moyens qui vient d'être décrit est connu et utilisé depuis longtemps, pour contrôler la fréquence, notamment dans les accélérateurs de particules. On peut remarquer, pour les accélérateurs par exemple, que les progrès dans l'insdustrie ont permis de diminuer de manière importante les prix de revient, mais que jusqu'à présent cette diminution du coût n'a pas porté sur la partie relative au contrôle de fréquence. Ce coût élevé est du d'une part au coût important de chacun des éléments, c'est-à-dire, les deux coupleurs directifs, les deux éléments absorbeurs, l'atténuateur ajustable, le déphaseur variable, la seconde ligne de transmission, et d'autre part du fait du travail important exigé par le montage, l'assemblage et le réglage de tous ces éléments. En effet, la suite d'opération exigée, pour le réglage d'un tel dispositif de correction, est longue et délicate, notamment en ce qui concerne le positionnement relatif entre les moyens détecteurs et le minimum de l'onde stationnaire. Il faut remarquer en outre que le nombre de ces éléments nuit à la fiabilité de l'ensemble, et qu'un défaut survenant à un simple atténuateur ajustable à des conséquences graves dans l'utilisation d'un accélérateur de particules. Un des buts de la présente invention est de simplifier, tant dans le nombre d'éléments que dans leur nature et dans leur agencement, la partie relative à la correction de fréquence, notamment dans un accélérateur de particules. La présente invention concerne un accélérateur de particules à correction de fréquence, permettant de corriger la fréquence de l'onde électromagnétique injectée dans une cavité résonnante avec une précision accrue par rapport à l'art antérieur, tout en assurant une meilleure intégration des moyens nécessaires à accomplir cette fonction, grâce à un agencement nouveau qui rend aisé leur mise en oeuvre. Selon l'invention, un accélérateur de particules à correction de fréquence, comportant: - au moins une cavité résonnante déterminant une fréquence d'accord donnée, un générateur hyperfréquence, délivrant une onde incidente de fréquence ajustable, - un guide d'onde par l'intermédiaire duquel ladite onde incidente est appliquée à ladite cavité résonnante, - un dispositif correcteur de fréquence comportant un premier et un second moyen de couplage reliés respectivement à une première et à une seconde diode, et comportant en outre un moyen de comparaison et de commande délivrant un signal d'erreur pour commander en fréquence ledit générateur en fonction d'une différence d'amplitude entre des signaux délivrés par lesdites diodes, est caractérisé en ce que lesdits moyens de couplage sont des 257 1919 coupleurs non directifs, prélevant chacun directement dans ledit guide d'onde une fraction d'une onde stationnaire, et en ce que lesdits premier et second coupleurs non-directifs sont disposés le long dudit guide d'onde, de part et d'autre et à une même distance d'un point o existe un minimum de ladite onde stationnaire quand la fréquence de l'onde incidente est égale à ladite fréquence d'accord. L'invention sera mieux comprise grâce à la description qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif, et en référence aux cinq figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 représente schématiquement un accélérateur de particules conforme à l'invention; les figures 2a, 2b montrent des variations d'intensité de champ, dans une ligne de transmission o est établi un régime d'ondes stationnaires; - la figure 3 montre l'accélérateur de l'invention selon une vue en perspective; - la figure 4 montre selon une vue en coupe, un exemple de réalisation d'un moyen caractéristique de l'invention; - la figure 5 montre par une vue de face, un autre moyen caractéristique. La figure 1 montre schématiquement, un accélérateur de particules I selon l'invention. L'accélérateur I comporte, d'une manière connue en elle-même, une structure 2 ayant au moins une cavité résonnante 3, dans laquelle est injectée une onde électromagnétique (non représentée) produite à partir d'un générateur hyperfréquence 4. Le générateur 4 est relié à la cavité résonnante 3 par un guide d'onde 5. Pour une fréquence d'accord Fo telle que la fréquence de résonance de la cavité 3 par exemple, l'ensemble générateur-guide d'onde-cavité résonnante 3-4-5 est pratiquement adapté et l'onde dite onde incidente, délivrée par le générateur 4, est totalement ou presque injectée dans la cavité résonnante 3, si sa fréquence F1 correspond à la fréquence d'accord Fo. Afin de conserver une égalité entre la fréquence FI de l'onde incidente et la fréquence d'accord Fo, l'accélérateur 1 comporte en outre un dispositif correcteur de fréquence 6, représenté dans un cadre en traits pointillés. Le guide d'onde 5 remplit une première fonction connue, qui consiste à transporter l'onde incidente, du générateur 4 vers la cavité résonnante 3, dans le sens de la flèche 7. Dans l'accélérateur I conforme à l'invention, il remplit, vis à vis du dispositif correcteur de fréquence 6, une seconde fonction, nouvelle, dans laquelle il constitue la source d'une onde stationnaire (non représentée). Cette onde stationnaire est formée par l'onde incidente, à laquelle se superpose une onde réfléchie (non représentée) qui se propage de la cavité résonnante 3 vers le générateur 4, dans le sens de la seconde flèche 8; l'onde réfléchie étant due à la réflexion de l'onde incidente par la cavité résonnante 3, son niveau est faible quand la fréquence F1 de l'onde incidente correspond à la fréquence d'accord Fo, et augmente avec la différence de ces deux fréqeunces, en même temps que sa phase varie fortement. Dans l'invention, c'est directement l'onde stationnaire qui est exploitée par le dispositif correcteur de fréquence 6, ce qui évite de devoir employer des coupleurs directifs comme c'est le cas dans l'art antérieur. Le dispositif correcteur de fréquence 6 comporte un premier et un second moyen de couplage non-directif 10, 11, constitués par exemple par une antenne de couplage, prélevant chacun dans le guide d'onde 5 une fraction de l'onde stationnaire; cette fraction étant proportionnelle au niveau que comporte l'onde à des positions Pl, P2, respectivement occupées par le premier et le second coupleur-non directif 10, Il, le long de la longueur L du guide d'onde 5. Le premier coupleur non-directif 10 est relié à une première diode 12, avec laquelle il est assemblé dans un premier bloc coupleur-détecteur 14, selon un exemple non limitatif de réalisation qui est davantage expliqué dans une suite de la description. Le second coupleur non-directif 11 est relié à une seconde diode 13, avec laquelle il est assemblé dans un second bloc coupleur- détecteur 15. Les première et seconde diodes 12, 13 sont d'un type classique en haute fréquence ou hyperfréquence et délivrent respectivement un premier et un second signal SI, S2 eux-mêmes respectivement proportionnels au niveau de l'onde, aux positions P1, P2- Les signaux SI, S2 sont appliqués aux entrées 17, 18 d'un dispositif de comparaison et de commande 20 qui délivre un signal d'erreur SE, appliqué au générateur 4. Le dispositif de comparaison et de commande 20, en lui-même connu, est destiné à réaliser une différence entre l'amplitude des signaux S1, S2 fournis par les diodes 12, 13 comme il a été expliqué dans le préambule. Le dispositif comparateur 20 comporte des moyens classiques (non représentés) tels que par exemple des moyens pour moduler à basse fréquence les signaux 5I, S2, suivis de moyens détecteurs, eux-mêmes suivis d'un moyen de comparaison tel qu'amplificateur différentiel classique. Le signal d'erreur SE qui résulte de ces opérations, comporte alors soit une valeur nulle quand les deux fréquences F1, Fo sont égales, soit une valeur positive ou négative suivant le sens de leur différence. Ces conditions sont obtenues en disposant le premier et le second moyen coupleur 10, 11 le long du guide d'onde 5, de part et d'autre et à une même distance D1 d'un point P coïncidant avec la position d'un minimum (non représenté sur la figure 1) de l'onde stationnaire, quand la fréquence F1 de l'onde incidente est égale à la fréquence d'accord Fo; la distance D1 entre les moyens de couplage , 11 et ce point P étant, dans l'exemple non limitatif décrit, sensiblement égale au huitième de la longueur d'onde;8- de la fréquence Fo. Si l'on maintient fixe la fréquence F1 de l'onde incidente, la mesure du signal d'erreur SE à l'aide d'un moyen de mesure classique (non représenté), permet de repérer la position d'un minimum de l'onde stationnaire quand on déplace simultanément, le long du guide d'onde 5, les deux moyens de couplage 10, Il. Mais, quand les deux fréquences F1, Fo sont égales, la réflexion de l'onde incidente par la cavité résonnante 3 est faible, le niveau de l'onde réfléchie est faible, et ce minimum n'est pas repérable aisément. Aussi, pour déterminer la position P du minimum par rapport auquel sont disposés les deux moyens coupleurs non- directifs 10, 11, c'est-à-dire une seconde distance D2 entre le point P et la cavité 3, la méthode peut consister à imposer au générateur 4 de délivrer l'onde incidente à une fréquence FI différente de la fréquence d'accord Fo, d'une valeur connue, cette différence étant de l'ordre de 1 MHz par exemple, quand la fréquence d'accord Fo est de l'ordre de 3000 MHz; ceci permettant d'obtenir des minimums de l'onde stationnaire beaucoup plus prononces. Les figures 2a, 2b sont à regarder conjointement, et montrent la différence de répartition des maximums et des minimums que comporte l'onde stationnaire le long de la longueur L du guide d'onde , selon que la fréquence F1 de l'onde incidente est différente ou égale à la fréquence d'accord Fo. A la figure 2a, une première courbe 30 symbolise l'onde stationnaire et montre les alternances de maximums 24 et de minimums 25, peu prononcés, déterminés quand la fréquence F1 de l'onde incidente est égale à la fréquence d'accord Fo; l'un de ces minimums 25 coïncidant avec le point P précédemment mentionné. Une seconde courbe 31 montre des alternances de seconds maximums 26 et de seconds minimums 27, fortement prononcés, déterminés quand la fréquence FI de l'onde incidente est différente de la fréquence d'accord Fo de + 1 MHz. Cette différence des fréquences Fi, Fo détermine à la phase de l'onde réfléchie une variation de +I A(ou -2); cette variation apparaît en ce qu'un minimum 25 de la première courbe 30 coYncide avec un maximum 26 de la seconde courbe 31. Dans ces conditions, il suffit de repérer une position P' d'un second minimum 27, tel que déterminé quand les fréquences Fi, Fo sont différentes, pour déterminer ensuite la position P correspondant au minimum 25 établi quand les deux fréquences Fl, Fo sont égales; la distance D3 entre les positions P, P' étant, sur la longueur L du guide d'onde 5, sensiblement égale au quart de la longueur d'onde 4- de la fréquence d'accord Fo. Ainsi qu'il a été mentionné précédemment, la position P' du second minimum 27 peut être déterminée en déplaçant 1 simultanément le long de la longueur L du guide d'onde 5 les deux moyens coupleurs 10, 1l 1; ces derniers étant maintenus écartés l'un de l'autre de deux fois la distance Dl précédemment mentionnée, soit sensiblement -a-, et en effectuant une mesure du signal d'erreur SE. Mais cette détermination de la position P' du second minimum 27 peut être obtenue plus facilement en utilisant des moyens classiques en mesure hyperfréquence, tels qu'une ligne de mesure. Les premier et second moyens coupleurs 10, Il sont ensuite placés aux positions Pl, P2, de part et d'autre du premier point P correspondant au premier minimum 25, et à une même distance DI égale à >-- de ce dernier. Chacun des moyens coupleurs 10, 1l1 se trouve ainsi sur des flancs 28, 29 opposés de l'onde, par rapport au premier minimum 25, et soumis à des niveaux de champ sensiblement identiques; cette situation d'équilibre étant rompue, quand la fréquence F1 de l'onde incidente devient différente de la fréquence d'accord Fo. Il est à remarquer que les moyens coupleurs 10, 1l sont distants l'un de l'autre de >l, mais qu'ils peuvent être également soumis à des niveaux de champs sensiblement identiques s'ils sont distants d'un multiple de '. Dans l'accélérateur 1 de l'invention, les coupleurs non-directifs , 11 sont constitués par des antennes de couplage, montées de manière à être orientables, ainsi qu'il est dayantage expliqué dans une suite de la description; cette orientation des coupleurs 10, 11, o de seulement l'un d'entre eux, permet en outre, si nécessaire, d'égaliser l'amplitude des signaux S1, S2 délivrés par les diodes 12, 13, quand les deux fréquences F1, Fo sont égales. Le signal d'erreur SE a alors une amplitude nulle, et tout écart entre les fréquences F1, Fo entraîne une variation positive ou négative de ce signal d'erreur SE. La figure 3 montre l'accélérateur 1 de l'invention par une vue en perspective, dans laquelle la structure 2 est partiellement représentée; le guide d'onde 5 étant disposé, selon sa longueur L, entre le générateur 4 et la cavité 3. Les premier et second blocs coupleurs-détecteurs 14, 15 contenant respectivement le premier coupleur non-directif 10, la première diode 12, et le second coupleur non-directif 11, la seconde diode 13 (non visibles sur la figure 3), sont solidarisés à une paroi 36 du guide d'onde 5. Dans l'exemple non limitatif décrit, les blocs coupleurs-détecteur 14, 15 sont solidarisés au guide d'onde 5 par l'intermédiaire d'un support 30, commun à ces deux blocs 14, 15; un axe longitudinal 31 du support 30 étant parallèle à la longueur L du guide d'onde 5. L'avantage de cette disposition est qu'elle permet de définir, de construction, la distance D4 égale à 40 entre des axes de symétrie 32 que comporte chaque bloc coupleur-détecteur 14, 15; le support 30 comportant deux logements (non représentés sur la figure 3) dans lesquels sont encastrés les blocs coupleur- détecteur 14, 15. Dans l'exemple décrit, les blocs coupleur-détecteur 14, 15 sont disposés de manière que les axes de symétrie 32 soient sensiblement parallèles entre eux et perpendiculaires à la longueur L du guide d'onde 5. Les blocs coupleur-détecteur sont fixés au support 30 de manière à permettre leur rotation, selon la 3ème flèche 34, autour de leur axe de symétrie 32 de manière à réaliser l'orientation, précédemment mentionnée, des coupleurs non-directifs 10, Il; le taux de couplage étant déterminé par les dimensions de trous de 2 5 7 1919 couplage (non montrés sur la figure 3) réalisés dans la paroi 36 du guide d'onde 5 et dans le support 30. La figure 4 montre à titre d'exemple non limitatif, selon une vue en coupe, une réalisation du premier bloc coupleur-détecteur 14, monté sur le guide d'onde 5; cette description étant également valable pour l'autre bloc coupleur-détecteur 15. Le guide d'onde 5 apparaît sur la figure 4 partiellement, selon sa section S, sa longueur L (non visible) étant perpendiculaire au plan de la figure. Le support 30 est fixé par des moyens classiques (non représentés) à la paroi 36 du guide d'onde 5, et comporte un premier trou de couplage 40 ayant sensiblement un même diamètre 41, qu'un second trou de couplage 42 réalisé dans la paroi 36, en vis à vis du premier trou 40; ces trous de couplage 40, 42 étant centrés sur l'axe de symétrie 32. Le support 30 comporte, en vis à vis des trous de couplage 40, 42, un évidement 45 central, constituant l'un des logements précédemment mentionnés, dans lequel est logé le premier bloc 14; le support 30 comporte dans un plan perpendiculaire au plan de la figure, un second évidement 45 (non visible sur la figure) destiné à recevoir le second bloc coupleur-détecteur 15; ces évidements constituants des moyens de positionnement des blocs coupleur- détecteur 14, 15. Le bloc coupleur-détecteur 14, comporte un corps 46 contenant le coupleur non-directif 10, et la diode 12 disposée sensiblement selon l'axe de symétrie 32. La diode 12 est reliée électriquement par une extrémité 50 à une borne 52 d'un connecteur 53, de type coaxial par exemple; l'autre extrémité 51 de la diode 12 est reliée au coupleur non-directif 10; ce dernier étant constitué par une antenne de couplage 54, formée dans l'exemple décrit par un fil de cuivre dont l'extrémité 44 opposée à la diode 12 est reliée au corps 46 du bloc 14. Le bloc 14 comporte, autour du corps 46, une collerette de fixation 47 par laquelle il est fixé au support 30, par des vis 49 par l! exemple. Le bloc 14 est fixé en appui sur une face 55, du support , par l'intermédiaire d'une pièce d'étanchéité 56 qui se prolonge dans l'évidement central 45 dont elle épouse la forme, et qu'elle obture en vis à vis des trous de couplage 40, 42; cette pièce 56 permet d'assurer l'étanchéité du guide d'onde 5, et elle doit être constituée, en vis à vis des trous de couplage 40, 42 en un matériau perméable au rayonnement électromagnétique. Un coupleur non-directif 10, l ou antenne de couplage 54, et une diode 12, 13 constituent ainsi un bloc coupleur-détecteur 14, 15 autonome, ce qui facilite sa réalisation industrielle, et simplifie son montage ou son éventuel remplacement sur le guide d'onde 5. Dans l'exemple non limitatif décrit, la rotation du bloc coupleurdétecteur 14, autour de son axe de symétrie 32, s'effectue grâce à la forme des ouvertures 60, pratiquées dan la collerette de fixation 47 pour le passage des vis 49. Ces ouvertures, dans un plan perpendiculaire à celui de la figure 3, se prolongent selon un arc de cercle ayant pour centre l'axe de symétrie 32, comme le montre la figure 5. La figure 5 montre le bloc coupleur-détecteur 14, selon une vue de face. La partie centrale est constituée par le corps 46 et la partie périphérique par la collerette de fixation 47. La collerette 47 comporte les ouvertures 60, dites en haricot, disposées selon un arc de cercle 61 ayant pour centre l'axe de symétrie 32; les ouvertures 60 s'étendent selon un angle Od d'environ 90 . Les ouvertures 60 constituent ainsi un moyen particulièrement simple d'orientation d'un bloc coupleur-détecteur 14, 15 et de l'antenne de couplage 54 que ce dernier comporte, ce qui évite l'utilisation d'un dispositif atténuateur ajustable, comme c'est le cas dans l'état antérieur. Cette description de l'accélérateur l de l'invention montre la simplification considérable par rapport à l'art antérieur, apportée par l'invention dans la partie relative à la correction de fréquence; cette simplification portant à la fois sur la quantité d'éléments utilisés et sur leur nature et leur agencement. 257 1919 REVENDICATIONS 1. Accélérateur de particules à correction de fréquence, comportant: - au moins une cavité résonnante (3) déterminant une fréquence d'accord (Fo) donnée, - un générateur (4) hyperfréquence délivrant une onde incidente de fréquence (FI) ajustable, - un guide d'onde (5), par l'intermédiaire duquel ladite onde incidente est appliquée à ladite cavité résonnante (3), - un dispositif correcteur de fréquence (6), comportant un premier et un second moyen de couplage (10, 11) reliés respectivement à une première et à une seconde diodes (12, 13), et comportant en outre un moyen de comparaison et de commande (20) délivrant un signal d'erreur (SE) pour commander en fréquence ledit générateur (4) en fonction d'une différence d'amplitude entre des signaux (SI, S2) délivrés par lesdites diodes (12, 13), caractérisé en ce que lesdits moyens de couplage (10, 11) sont des coupleurs non-directifs, prélevant chacun directement dans ledit guide d'onde (5) une fraction d'une onde stationnaire, et en ce que lesdits premier et second coupleurs non-directifs (10, 11) sont disposés le long dudit guide d'onde (5), de part et d'autre et à une même distance (Di) d'un point (P) o existe un minimum (25) de ladite onde stationnaire quand la fréquence (Fi) de l'onde incidente est égale à ladite fréquence d'accord (Fo). 2. Accélérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distance (DI) ente chacun desdits moyens coupleurs non-directifs (10, 11) et ledit minimum (25) de l'onde stationnaire, est sensiblement égale au huitième de la longueur d'onde (-0) de la fréquence d'accord (Fo), ou à un multiple de ce huitième de longueur d'onde. 3. Accélérateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens coupleurs non-directifs (10, 11) sont constitués par des antennes de couplage (54). 4. Accélérateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que au moins une antenne de couplage (54) est orientable, de manière à permettre d'égaliser les amplitudes des signaux (S1, S2) délivrés par lesdites diodes (12, 13). 5. Accélérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un coupleur non-directif (10, 11) et une diode (12, 13) constituent un bloc coupleur-détecteur (14, 15) autonome. 6. Accélérateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les deux blocs coupleur-détecteur (14, 15) sont solidarisés au guide d'onde (5) par l'intermédiaire d'un même support (30), et en ce que ledit support (30) comporte des moyens (45) pour positionner les deux blocs coupleurdétecteur (14, 15) à une distance (D4) donnée l'un de l'autre. 7. Accélérateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens pour positionner les deux blocs (14, 15) sont constitués par des évidements dans lesquels sont logés lesdits blocs (14, 15). 8. Accélérateur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'un bloc coupleur-detecteur (14, 15) comporte des moyens (60) pour permettre sa rotation autour de son axe de symétrie (33).