Brevet FR2576477A1 — publié le 19860725

ENSEMBLE ACCELERATEUR LINEAIRE DE PARTICULES CHARGEES L'invention concerne un ensemble accélérateur linéaire de particules chargées, du type destiné à accélérer des faisceaux de particules de courte durée, dans une structure accélératrice du type à onde progressive. De tels ensembles accélérateurs linéaires trouvent couramment leur application dans différents domaines, tels que par exemple, à des fins scientifiques. Un exemple en est donné par l'injection d'électrons ou de positrons dans les anneaux pour lumière synchrotron. Dans les accélérateurs linéaires, le faisceau de particules chargées est injecté dans une structure accélératrice, dans laquelle il est accéléré sous l'action d'un champ électrique développé par une onde électro-magnétique à haute fréquence, également injectée dans la ligne ou structure accélératrice. En général, les structures accélératrices comportent une succession de cavités dimensionnées par exemple pour fonctionner avec une onde haute fréquence dont la fréquence est voisine de 3000 MHz (bande S). Pour une énergie donnée du faisceau d'électrons, il est toujours intéressant de réduire la longueur d'une structure accélératrice. Cette longueur de structure accélératrice peut être réduite en augmentant la puissance de l'onde électromagnétique ou onde H.F, servant à l'accélération. Mais l'augmentation de la puissance H.F est limitée. Ces dernières années ont vues le développement d'un dispositif de compression haute fréquence appelé SLED, (pour Stanford Linear Energy Doubler), connu par la référence: Z.D Farkas et al., "SLED a Method of Doubling SLAC's Energy", Proc. 9th Int. Conf. on High Energie Accelerators, SLAC, Stanford, CA, May 2-7, 1974. Ce dispositif de compression H.F permet d'obtenir des puissances élevées pendant des temps courts. On peut ainsi pratiquement doubler l'énergie fournie aux particules par unités de longueur d'accélérateur linéaire. Dans cette configuration, une source d'ondes haute fréquence coopère avec le système de compression SLED. La source haute fréquence délivre l'onde haute fréquence selon une impulsion qui est corrigée par le système de compression SLED, de manière à concentrer durant un temps court la puissance correspondant à la première impulsion fournie par la source haute fréquence. L'impulsion haute fréquence corrigée par le dispositif compresseur type SLED, ou impulsion de puissance H.F, est appliquée à la structure accélératrice par une première extrémité de cette dernière, par laquelle pénètre également le faisceau à accélérer. L'impulsion de puissance H.F est fournie, après compression du type SLED, avec une pointe de puissance instantanée élevée, mais décroissant rapidement en fonction du temps. Ceci impose de limiter la durée T(H.F) de cette impulsion et d'utiliser une structure accélératrice dont le temps de remplissage T(S) soit faible.La durée T(F) de l'impulsion électronique où faisceau à accélérer, étant supposée telle que ron respecte la condition suivante: T(H.F) = T(S) + T(F) En effet, Impulsion de puissance H.F doit, par son début, atteindre la seconde extrémité de la structure accélératrice avant le passage du faisceau à accélérer, et la durée T(F) du faisceau doit être d'autant plus brève que le temps de remplissage T(S) est plus élevé, pour une durée T(H.F) donnée de impulsion de puissance H.F. Le temps de parcours de l'onde H.F dans une structure à onde progressive correspond au temps de remplissage TS de cette structure, contrairement au cas d'une structure à onde stationnaire. C'est la raison pour laquelle, avec le dispositif de compression H.F, on utilise seulement des structures à ondes progressives, dans le sens direct, les structures du type à ondes progressives ayant un temps de remplissage T(S) court en comparaison du temps de remplissage d'une structure à onde résonnante dite stationnaire. Cette solution n'est que partiellement satisfaisante du fait que, notamment, la fonction de couplage entre les cavités accélératrices de la structure, et la fonction d'interaction ondes H.F faisceaux sont interdépendantes, lecouplage entre deux cavités accélératrices successives s'effectuant par un iris central par lequel passe également le faisceau à accélérer. Ceci conduit notamment à une qualité médiocre du transfert d'énergie de l'onde H.F au faisceau, par rapport à une structure à ondes stationnaires dans laquelle, la forme des cavités accélératrices permet d'obtenir, entre l'onde H.F et le faisceau, un synchronisme beaucoup plus favorable. La présente invention concerne un accélérateur linéaire destiné à accélérer, dans une structure à onde progressive, des faisceaux de durée inférieure au temps de remplissage T(S) de cette structure. Un accélérateur linéaire selon l'invention permet d'accroître, par rapport à l'art antérieur, l'énergie cédée au faisceau par unités de longueur de la structure accélératrice, et notamment, concilie les avantages procurés par un dispositif de compression d'impulsions H.F, du type SLED, et les avantages liés à la forme des cellules ou cavités accélératrices des structures à ondes stationnaires. Ceci permettant notamment d'améliorer le transfert d'énergie au faisceau, et l'impédance shunt de la structure, et d'accroître ainsi l'énergie du faisceau accéléré et le rendement global de l'ensemble accéférateur 'linéaire. Alternativement, ceci permet de diminuer le temps de remplissage TS pour un même gain en énergie par mètre de structure. Selon l'invention, un ensemble accélérateur linéaire de particules chargées, comportant: - une structure accélératrice à onde progressive, ayant un temps de remplissage donné et destinée à accélérer un faisceau ayant une durée inférieure audit temps de remplissage, - un générateur d'une onde haute fréquence, accélératrice, délivrant ladite onde haute fréquence selon une impulsion, - ladite structure étant formée par une succession de cavités accélératrices disposées selon un axe longitudinal de ladite structure et comportant des ouvertures axiales servant au passage dudit faisceau, ledit faisceau étant injecté à une première extrémité de ladite structure et se propageant dans cette dernière, selon ledit axe longitudinal, dans le sens de ladite première extrémité vers une seconde extrémité de ladite structure, est caractérisé en ce que ladite impulsion d'onde haute fréquence est injectée dans ladite structure accélératrice, par ladite seconde extrémité de cette dernière, de manière que l'interaction entre l'onde haute fréquence et ledit faisceau s'accomplisse avec des sens de propagations de ces derniers opposés, et en ce que ladite structure accélératrice comporte des moyens de couplages magnétiques servant au couplage haute fréquence entre lesdites cavités accélératrices, lesdits moyens de couplage magnétique étant indépendant desdites ouvertures axiales. L'invention sera mieux comprise grâce à la description qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif, et aux quatre figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 montre schématiquement un ensemble accélérateur conforme à l'invention , - les figures 2A, 2B illustrent, à titre d'exemple non limitatif, des impulsions contenant l'onde haute fréquence accélératrice; - la figure 3 montre schématiquement un segment d'une structure accélératrice utilisée dans l'ensemble accélérateur selon l'invention; - la figure 4 montre le détail d'éléments constituant un segment montré par la figure 3. La figure 1 montre d'une manière schématique un ensemble acélérateur 1 de particules chargées conforme à l'invention. L'ensemble accélérateur 1 comporte une structure accélératrice 2 du type à onde progressive, et un dispositif générateur d'ondes haute fréquence 4, montré dans un rectangle en traits pointillés, et délivrant une onde haute fréquence ou onde H.F constituant l'onde électromagnétique d'accélération. La structure accélératrice 2 permet d'accélérer un faisceau de particules chargées, d'électrons par exemple, symbolise sur la figure 1 par une première -flèche 5 confondue avec un axe longi tudinal 6 de la structure accélératrice 2; le faisceau 5 étant délivré sous la forme d'une impulsion, ayant une durée T(F), par des moyens conventionnels non représentés. La structure accélératrice 2 comporte une succession de n cavités accélératrices C1, C2, ..., Cn disposées selon l'axe longitudinal 6, et comportant, selon cet axe longitudinal 6, des ouvertures axiales 9 dans lesquelles passe le faisceau d'électrons 5.Le faisceau d'électrons 5 pénètre dans la structure accélératrice 2 par une première extrémité 7 de cette dernière, et circule selon l'axe longitudinal 6 dans le sens montré par la première flèche 5 qui le symbolise, c'est-à-dire dans le sens de cette première extrémité 7 vers une seconde extrémité 8 de la structure accélératrice 2. Dans l'exemple non limitatif de la description, le générateur d'ondes 4 comporte des moyens 10, 11 pour générer l'onde H.F selon une impulsion (non représentée sur la figure 1), ayant une durée T(H.F) sensiblement égale à un temps de remplissage T(S) de la structure accélératrice 2 plus la durée T(F) du faisceau 5: T(H.F) = T(S)+ T(F). Il est à remarquer ainsi qu'il a été précédemment expliqué dans le préambule, que le temps de remplissage d'une structure à onde stationnaire est très supérieur au temps de remplissage TS d'une structure à onde progressive. Dans l'exemple non limitatif décrit, les moyens 10, 11 pour délivrer l'onde H.F comprennent une source d'onde haute fréquence 10, tel qu'un klystron par exemple, coopérant avec un dispositif compresseur d'impulsions H.F 11 ; ce dernier etant dans l'exemple non limitatif décrit, du type appelé SLED, précédemment mentionné dans le préambule de la description. Les figures 2a et 2b montrent respectivement une première et une seconde impulsion 20, 21 contenant l'onde H.F (non représentée), et permettant d'illustrer la puissance instantannée P en fonction du temps t. A la figure 2a la première impulsion 20 est formée par une première et une seconde partie 20 -, 20 +, respectivement négative et positive, et dont la partie utile à accélérer le faisceau est constituée par la seconde partie 20 + positive ; le niveau de puissance instantannée P atteind, correspondant à un premier niveau P1. Cette première impulsion 20, après correction par le dispositif compresseur H.F 11, acquière sensiblement une forme telle que montrée par la figure 2b.On constate que la partie négative 21 - de la seconde impulsion 21 comporte, par rapport à la première impulsion 20, une surface S beaucoup plus faible dont la différence SD est reportée sensiblement sur la seconde partie positive 21 +, utile, dont le niveau de puissance P2 est très supérieur au premier niveau de puissance P 1. Cet accroissement de la puissance instantannée de l'onde H.F est utilisé, dans l'art antérieur, pour accroître l'énergie du faisceau accéléré par unité de longueur de ligne accélératrice, en utilisant une ligne accélératrice ou structure accélératrice, de type à onde progressive classique, dans le sens direct ; ce choix de la ligne accélératrice étant imposé par la faible durée T(H.F) de impulsion haute fréquence 21+, utile. En pratique, la durée T(H.F) est couramment inférieure à 1,5 microseconde, ainsi que dans l'exemple non limitatif décrit où elle est de l'ordre d'une microseconde (pour un fonctionnement en bande S vers 3000 MHz); cette durée correspondant sensiblement au temps T(s) de remplissage de la structure accélératrice 2, plus la première durée T(F), le faisceau accéléré constituant lui-même une impulsion dont la durée T(F) est de l'ordre de 0,1 microseconde. En référence à nouveau à la figure 1, le dispositif générateur 4 délivre l'onde haute fréquence selon une impulsion H.F semblable à l'impulsion 21 montrée par la figure 2b. Cette impulsion H.F de puissance (non représentée sur la figure 1) est transmise par une ligne de transmission 15, pour être injectée dans la structure accélératrice 2, par l'intermédiaire de moyens de couplage d'entrée H.F 16 classique. Selon une caractéristique de l'invention, l'impulsion H.F est injectée à la seconde extrémité 8 de la structure accélératrice 2, c'est-à-dire à l'extrémité opposée à celle par laquelle pénètre le faisceau 5 dans cette structure; ainsi l'onde haute fréquence se propage dans la structure accélératrice .2, comme montré par la seconde flèche 17, dans un second sens contraire de celui selon lequel circule le faisceau 5 à accélérer ; le couplage entre les cavités résonnantes C1, C2, .., Cn étant réalisé par des couplages magnétiques. Dans l'exemple non limitatif décrit, ces couplages magnétiques sont constitués par des iris 18 disposés sensiblement à la périphérie des cavités accélératrices C1, C2,,.., Cn, et aménagés dans des parois 19 communes à deux cavités résonnantes adjacentes C1-C2, C2-C3, ..., Une telle disposition présente, par rapport à une structure accélératrice à onde progressive selon l'art antérieur, l'avantage de séparer et. de rendre indépendant les moyens de couplage 18 entre les cavités accélératrices Cl, ..., Cn, des ouvertures axiales 9, ou trous de passage du faisceau. Ceci permet à la structure accélératrice 2, de comporter en outre des tubes de glissements 31 associés aux trous de passage 9 et permettant d'obtenir une meilleure synchronisation entre l'onde H.F et le faisceau 5. La première extrémité 7 de la structure accélératrice 2 peut comporter ainsi que dans l'exemple non limitatif représenté à la figure 1, un court circuit 23 formé par la paroi 9 de la première cavité C1, vis à vis de la haute fréquence, cette dernière étant alors réfléchie vers la seconde extrémité 8 ; cette réflexion se produisant après le passage et l'accélération du faisceau 5, la structure accélératrice 2 constitue pour ce dernier même dans ce cas, une structure à onde progressive. Une alimentation simultanée de la structure accélératrice 2 ainsi que d'une seconde structure (non représentée) identique à la première, peut s'effectuer à l'aide d'un coupleur hybride Haute Fréquence 3db, d'un type en lui-même connu, et comportant une charge (classique également) absorbant les ondes Haute Fréquence réfléchies par lesdites structures accélératrices. Néanmoins, dans une approche plus classique, la structure 2 peut comporter à sa première extrémité 7, vers laquelle se propage l'onde H.F, un moyen coupleur haute fréquence de sortie, et une charge haute fréquence (non représentés), permettant de manière classique d'absorber l'onde H.F parvenant à cette première extrémité 7. I1 est à remarquer que la solution du court circuit 23 est particulièrement intéressante en ce qu'elle permet de faire réco- nomie d'un coupleur H.F et d'une charge H.F. Le mode de fonctionnement ou mode de résonance - de la m structure accélératrice 2 est choisi de préférence tel que le rapport n 2 m soit égal ou supérieur à 3 . Un encadré 40 montré sur la figure 1 isole un segment 25 de la structure accélératrice 2 qui permet d'illustrer, sur la figure 3, un mode de résonance préféré choisi sur cette dernière. La figure 3 détaille le segment 25 de la structure accélératrice 2, selon un mode de réalisation préféré. 4# Le mode de résonance utilisé correspond au cas du mode La structure 25 a une longueur L1, correspondant à deux longueurs d'ondes 2 de la fréquence de l'onde H.F, c'est-à-dire dans l'exemple décrit, une longueur L1 égale sensiblement à 200 mm. Dans cette longueur L 1, le segment 25 comporte cinq cavités accélératrices C2, C3, C4, C5, C6 ayant toutes une même seconde longueur L2, et couplées entre elles par des iris 18. Les cavités accélératrices C1, C2, ..., Cn ayant toutes une même structure et une même iongueur, contrairement au cas des structures à onde stationnaire, elles sont de réalisation économique et, étant relativement longues, par rapport à la longueur d'onde -, elles présentent un coefficient de surtension élevé qui conduit à améliorer l'impédance shunt, et permet ainsi d'accroître l'énergie du faisceau 5 accéléré. On estime qu'en bandes S on accroît la valeur de l'impédance shunt de 50% (60 Mohms/mètre à 90 Mohms par mètre), valeur correspondant à un accroissement d'énergie du faisceau de l'ordre de 2296. Les fonctions de couplage entre cavités Cl, ..., Cn étant séparées des trous de passage 9 du faisceau 5, il est possible, d'une part, d'augmenter le diamètre d des iris 18 afin de réduire encore le temps de remplissage Ts de la structure accélératrice, sans diminuer excessivement la valeur de l'impédance shunt ; cette séparation des fonctions permet d'autre part d'optimiser l'interaction ondes H.Ffaisceau par l'utilisation des tubes de glissement 31 associés aux trous de passage 9 du faisceau, ces trous de passage 9 pouvant en outre comporter un second diamètre d2 réduit. La figure 4 montre, selon une vue en coupe longitudinale, particulièrement une cavité accélératrice, la troisième cavité accé- lératrice C3 par exemple, qui permet de détailler cette dernière dans une réalisation prévue pour fonctionner à une fréquence de 3000 MHz environ. Les cavités accélératrices étant de révolution autour de l'axe longitudinal 6, il est seulement représenté une partie de la cavité C3 située d'un même côté par rapport à cet axe longitudinal 6. Dans l'exemple non limitatif décrit, les parois 19 comportent, le long d'un axe transversal 35 perpendiculaire à l'axe longitudinal 6, une partie 36 de moindre épaisseur E par rapport à laquelle sont situés, d'un côté l'iris 18, et de l'autre des becs 30 qui constituent les extrémités des tubes de glissement 31 ; le trou de passage 9 ayant dans l'exemple non limitatif décrit, un rayon r de 4,5 mm.Dans cet exemple de réalisation, les becs 30 ont une forme circulaire et relient le tube de glissement 31 à une partie 19a inclinée de la paroi 19, par rapport à l'axe transverse 35 ; cette partie inclinée l9a formant sensiblement un angle de 45 avec l'axe transversal 35, de sorte qu'une longueur intérieure L3 présentée par la cavité C3 entre les becs 30 est inférieure à une plus grande longueur intérieure L4 présentée par la cavité C3, au niveau de la plus faible épaisseur E de la paroi 19. Ainsi, dans l'exemple non limitatif décrit, les tubes de glissement 31 comportent sensiblement une longueur L5 de 14 mm (considérée entre les becs 30), la plus faible longueur intérieure L3 est de l'ordre de 26 mm, et la plus grande longueur intérieure L4 est de l'ordre de 37,5 mm; la plus faible épaisseur E de la paroi 19 étant de 2,5 mm. Dans cette configuration, il est avantageux de réaliser des éléments tels que les éléments El, E2 délimités entre des lignes 37 en traits pointillés, tous usinés d'une même manière, et ensuite assemblés. Cette description d'un ensemble accélérateur 1 selon ltin- vention constitue un exemple non limitatif, dans lequel la structure accélératrice 2 est adaptée pour fonctionner avec des impulsions 21 de haute fréquence ayant une durée T(H.F) faible et incompatible avec le temps de remplissage des structures accélératrices à ondes stationnaires classiques. La structure accélératrice 2 selon l'invention, comporte un temps de remplissage T(s) réduit qui la rend apte à fonctionner avec de telles impulsions haute fréquence, et permet en outre de réduire ce temps de remplissage Ts par rapport à celui d'une structure à ondes progressives classique, tout en conservant certains des avantages procurés par les structures du type à ondes stationnaires. Il est à remarquer en outre que dans l'exemple non limitatif de la description, le générateur 4 d'ondes haute fréquence comporte un dispositif de compression 11 d'impulsions haute fréquence, délivrant une puissance haute fréquence instantannée élevée, mais que la présente invention est également applicable dans le cas plus général de générateur d'ondes haute fréquence délivrant des impulsions haute fréquence de durée T(H.F) faible, telle que ci-desssus décrite. REVENDICATIONS 1. Ensemble accélérateur linéaire de particules chargées, comportant: - une structure accélératrice (2) à onde progressive, ayant un temps de remplissage (T(s)) donné et destinée à accélérer un faisceau (5) ayant une durée (T(F)) inférieure audit temps de remplissage (T(S)); - un générateur (4) d'une onde haute fréquence, accélératrice, délivrant ladite onde haute fréquence selon une impulsion (2i);; - ladite structure étant formée par une succession de cavités accélératrices (Cl, ..., Cn), disposées selon un axe longitudinal (6) de ladite structure (2) et comportant des ouvertures axiales (9) servant au passage dudit faisceau (5), ledit faisceau (5) étant injecté à une première extrémité (7) de ladite structure (2) et se propageant dans cette dernière selon ledit axe longitudinal (6), dans le sens de ladite première extrémité (7) vers une seconde extrémité (8) de ladite structure (2), caractérisé en ce que ladite onde haute fréquence est injectée dans ladite structure accélératrice (2) à ladite seconde extrémité (8) de cette dernière, de manière que l'interaction entre l'onde haute fréquence et ledit faisceau (5) s'accomplisse avec des sens (5, 17) de propagation de ces derniers opposés, et en ce que ladite structure accélératrice (2) comporte des moyens de couplage magnétiques (18) servant au couplage haute fréquence entre lesdites cavités accélératrices (C1, ..., Cn), lesdits moyens de couplage magnétiques (18) étant indépendants desdites ouvertures axiales. 2. Ensemble accélérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit générateur (4) d'ondes haute fréquence comporte des moyens (10-11) pour délivrer ladite impulsion (21) de haute fréquence selon une durée (T(H.F)) sensiblement égale à la somme des temps de remplissage (T(S)) et de la durée (T(F)) dudit faisceau. 3. Ensemble accélérateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens (10-11) pour générer ladite impulsion (21) comprennent une source (10) haute fréquence coopérant avec un dispositif compresseur d'impulsion H.F (11). 4. Ensemble accélérateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite structure accélératrice (2) comporte des tubes de glissement (31) et en ce que lesdits moyens de couplage (18) sont constitués par des iris (18) aménagés dans des parois (19) transversales communes à deux cavités accélératrices (cri,..., Cn) adjacentes. 5. Ensemble accélérateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites cavités accélératrices (C1, C2,..., Cn) ont une même longueur (L1). 6. Ensemble accélérateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mode de résonance ou mode de fonctionnement de ladite structure accélératrice (2) correspond à: nil où n > 2 m ou m 3. 7. Ensemble accélérateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mode de fonctionnement correspond 4TC au mode 8. Ensemble accélérateur-selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite structure accélératrice (2) est en court-circuit (23) à sa première extrémité (7), vis à vis de la haute fréquence. 9. Ensemble accélérateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte deux mêmes structures accélératrices (2) alimentées en onde Haute Fréquence par un même générateur Haute fréquence (4), par l'intermédiaire d'un coupleur hybride 3 db associé à une charge absorbant les ondes Haute Fréquence réflechies par lesdites structures accélératrices (2).