Brevet FR2582180A1 — publié le 19861121

ACCELERATEUR D'ELECTRONS PULSE OPTIQUEMENT. La présente invention décrit d'une manière géné- rale des accélérateurs d'électrons pulsésoptiquement et plus précisément, des accélérateurs d'électrons pulsés optiquement destinés à une utilisation en tant qU'injec- teurs appropriés pour lasers à électrons libres. Cette invention est le résultat d'un contrat signé avec le Département de l'Energie (contrat n W-7405-ENG-36). Le laser à électrons libres a été décrit pour la première fois par John Madey de l'Université de Stanford en 1971. Il est largement reconnu que le laser à électrons libres présente un grand intérêt dans le domaine de la médecine, de la spectroscopie, de l'imagerie infrarouge, du traitement chimique, du soudage, de la fusion par laser, des télécommunications et des armes à énergie diri- gée (cf J.T. Riordan, "The Free-Electron Laser: Medecine's Rising Star", Photonics Spectra 40 (Juillet 1983); R.B. Hall, "Lasers In IndustriaL Chemical Synthesis", Laser Focus 57 (septembre 1982). Par comparaison aux la- sers classiques, Les lasers à électrons libres sont accor- dables dans une targe gamme, permettent un excellent ajus- tement de la taille de la tache, un excellent ajustement de la largeur d'impulsion, et fournissent une densité de puissance élevée et de grandes possibilités d'ajuste- ment de cette puissance. Un laser à électrons libres comprend un injecteur pour fournir une source d'électrons à haute énergie devant être accélérés à des niveaux d'énergie plus élevés afin de servir de source d'énergie transférée à un faisceau de sortie optique dans le laser à électrons Libres. Pour fonctionner de façon efficace, un laser à électrons libres nécessite un injecteur pouvant simultanément fournir un courant crête élevé, une faible durée de l'impulsion d'électrons et une haute qualité de faisceau. Un faisceau de haute qualité est un faisceau de faible émittance, 82180 c'est-à-dire un faisceau présentant de faibles déplace- ments dans des directions autres que la direction souhai- tée d'orientation du faisceau. Les injecteurs classiques ne permettent pas d'obtenir simultanément ces trois ca- ractéristiques. Par conséquent, il est très souhaitable de mettre au point un injecteur permettant de réaliser simultanément ces trois caractéristiques. Un accélérateur d'électrons classique (injecteur) destiné à être utilisé avec un laser à électrons libres, iQ est alimenté par une source d'énergie radio-fréquence Crf). IL comprend un canon à électrons, une section à résonateur d'entrée dont le but est d'accroître l'effi- cacité du système, et de l'accélérateur proprement dit. Le canon à électrons est généralement constitué d'un émetteur d'électrons thermo-ionique qui peut fournir un courant continu ou peut être pulsé pour fournir de courtes impulsions d'électrons à des fréquences de répétition variables. La section à résonateur d'entrée est générale- ment constituée d'une ou de plusieurs cavités (s) d'ac- célération dont La fonction est de moduler la vitesse du courant d'électrons de manière sinusoidale, avec pour résultat qu'en un point situé en aval des cavités du ré- sonateur d'entrée, Le courant d'électrons soit périodi- quement amené à résonner ou à atteindre un pic. La pério- dicité de ces regroupements d'électrons, liée de façon harmonique à la période de la source d'énergie rf pour l'accélérateur linéaire. Un accélérateur Linéaire à puissance rf est constitué d'une série de cavités réson- nantes dans lesquelles d'intenses champs électriques et magnétiques sinusoïdaux sont établis par la circulation de l'énergie rf dans la cavité. Les regroupements d'élec- trons sont injectés avec la phase appropriée pour être accélérés périodiquement par Le champ électrique rf. Dans un accélérateur à Qnde progressive., les électrons circulent sur la crête du champ électrique en traversant des cavités successives. Dans un accélérateur à onde 82180 stationnaire, les regroupements d'électrons sont pro- tégés des champs de décélération périodique par des tubes métaLliques à transit. L'utilisation faite jusqu'à présent des accélérateurs d'électrons classiques a montré qu'il se produisait une dégradation de la qualité du faisceau dans Le système de groupements d'électrons. L'accélérateur d'électrons pulsé optiquement de la présente invention évite cette dégradation par éltimina- tion du système de groupement d'électrons. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 313 072 délivré à Wilson et coll. décrit un faisceau d'électrons modulé par de la lumière commandé par un émetteur radio- fréquence pour la production de puissance. Des impulsions de lumière frappent un dispositif photo-émetteur qui engendre un faisceau d'électrons ayant les caractéristiques des impulsions lumineuses. Cependant, le faisceau d'élec- trons est soumis à des groupements et, par conséquent, la qualité du faisceau est dégradée. Un but de la présente invention est de fournir un injecteur de haute qualité destiné à être utilisé avec un laser à électrons libres. Un autre but de l'invention est de fournir un accélérateur d'électrons qui présente simultanément un courant de crête élevé, une faible durée d'impulsions et une haute qualité de faisceau. L'invention a également pour but de fournir un faisceau d'électrons de faible émittance. Pour atteindre les buts ci-dessus ainsi que d'autres buts, et conformément à la présente invention, telle qu'elle est mise en oeuvre et décrite globalement ci-après, il est fourni un accélérateur d'électrons pulsé optiquement qui peut jouer le rôle d'un injecteur amélioré pour un laser à électrons libres. L'accélérateur d'électrons pulsé optiquement comprend une source lumineuse pulsée fournis- sant des impulsions lumineuses incidentes discrètes. 82180 Une source d'électrons photo-émissive est associée à et répond à la source lumineuse pulsée. Lorsqu'elle est exposée à l'incidence d'impulsion lumineuse discrète, elle émet des impulsions d'électrons ayant pratiquement la même durée. Une première cellule accélératrice alimen- tée en puissance radio-fréquence accélère des impulsions d'électrons émises par la source d'électrons photo-émissive qui est disposée sur une paroi intérieure de la première cellule accélératrice. La première cellule accélératrice présente des parties définissant une cavité traversée par les impulsions d'électrons et une première ouverture. Les impulsions d'électrons accélérés quittent la première cellule accélératrice en passant par la première ouverture. Un aimant peut être disposé entre la source lumineuse pulsée et la première cellule accélératrice. Les impulsions Lumineuses incidentes traversent l'aimant sans être déviées et pénètrent dans la première cellule accélératrice par la première ouverture. L'aimant dévie les impulsions d'électrons accélérés sortant par la première ouverture, vers le laser à électrons libres. La première cellule accélératrice peut comporter des parties définissant une seconde ouverture à travers laquelle les impulsions lumi- neuses incidentes pénètrent dans la première cellule accélératrice et viennent frapper la source d'électrons photo-émissive. La source d'électrons photo-émissive peut comprendre une pluralité de cellules accélératrices alimentées en puissance radio-fréquence et connectées en série. La source lumineuse pulsée peut être un laser. L'un des avantages de la présente invention est que l'accélérateur d'électrons pulsé optiquement produit' un faisceau d'électrons de faible émittance. Un autre avantage de l'invention est que la haute qualité de faisceau de la source d'électrons photo-émissive est conservée en raison de l'élimination de la formation de groupements d'électrons dans le faisceau. 82180 Un autre avantage de l'invention est qu'elle pré- sente une structure plus simple et moins onéreuse que les accélérateurs d'électrons classiques. L'invention a également pour avantage que les groupements d'électrons sont accélérés très rapidement après leur formation par la pulsation optique de la source d'électrons photo-émissive, minimisant ainsi le temps nécessaire pour que les forces de charge d'espace dégradent la qualité du faisceau. L'invention a également pour avantage que l'accé- lérateur d'électrons puLsé optiquement présente simul- tanément un courant de crête élevé, une faible durée d'impulsions et une haute qualité de faisceau. D'autres buts, avantages et caractéristiques nouvelles de l'invention apparaîtront d'une part à la lecture de la description ci-après et, d'autre part, lors de l'examen par les spécialistes de la description ci- après ou lors de ta mise en oeuvre de la présente inven- tion. Les buts et avantages de l'invention peuvent être réalisés et atteints au moyen des dispositifs et combi- naisons particulièrement décrits dans les revendications annexées. Les dessins annexes, qui sont incorporés au présent fascicule et en font partie, illustrent plusieurs modes de réalisation de la présente invention et, en association avec La description, ont pour but d'expliquer les prin- cipes de l'invention. Dans ces dessins: - La figure 1 illustre schématiquement un mode de réalisation préféré de L'invention; - les figures 2 et 3 iLLustrent schématiquement d'autres modes de réalisation de l'invention. On se réfèrera à présent à la figure 1 qui illus- tre schématiquement un mode de réalisation de l'invention. La présente invention est un accélérateur d'électrons puLsé optiquement. 10 pouvant être utilisé en tant qu'injecteur amélioré pour un laser à éLectrons libres 82180 (non représenté). Les faisceaux de haute intensité et de qualité élevée produits par l'accélérateur d'électrons pulsé optiquement 10 de la présente invention, sont également intéressants dans des accélérateurs d'élec- trons destinés à la recherche, au traitement du cancer par les rayonnements et à la radiographie industrielle. L'accélérateur d'électrons pulsé optiquement 10 comprend une source lumineuse pulsée 12 fournissant des impulsions lumineuses incidentes discrètes 14. Chacune des impulsions lumineuses incidentes 14 est représentée par une flèche unique 14. Une source d'électrons photoémissive 16 est associée et répond à la source lumineuse pulsée 12. La source d'électrons photo-émissive 16 émet des impul- sions d'électrons 18 en réponse aux impulsions lumineuses incidentes 14. Chacune des impulsions d'électrons 18 est représentée par une paire de doubles flèches 18, comme l'illustre la figure. Les impulsions d'électrons 18 ont pratiquement la même durée à quelques picosecondes près, que les impulsions lumineuses incidentes 14. La durée des impulsions Lumineuses incidentes 14 est commandée par la source lumineuse 12. La source lumineuse pulsée 12 peut être n'importe quelle source lumineuse intense dé- clenchée périodiquement ou découpée par un commutateur électro-optique ou acousto-optique (non représenté). La source lumineuse pulsée 12 est de préférence un laser et peut être un laser déclenché ou un laser à verrouillage de mode. Une première cellule accélératrice alimentée en puissance radio-fréquence 20 accélère les impulsions d'électrons 18. La première cellule accélératrice alimen- tée en puissance radio-fréquence 20 présente des parties définissant une cavité 22 traversée par les impulsions d'électrons 18 et des parties définissant une première ouverture 24 à travers laquelle les impulsions dc'élec- trons 18 quittent la première cellule accélératrice 20. 82180 La source d'électrons photo-émissive 16 peut être disposée sur une paroi intérieure 26 de La première cellule accé- lératrice 20. La source d'électrons photo-émissive 16 se trouve dans un champ d'accélération intense et sur L'axe du faisceau formé par les impulsions lumineuses incidentes 14. Les impulsions lumineuses incidentes 14 sont cadencées de façon à arriver avec une phase prédé- terminée du champ rf sinusoidal de la première cellule accélératrice 20. Les impulsions lumineuses incidentes 14 ne doivent pas présenter une durée supérieure à une demi-période rf de la première cellule accélératrice 20 et doivent de préférence durer moins d'un quart de la période rf. Dans des applications types d'un accélérateur rf il est nécessaire que la durée souhaitée du groupement d'électrons soit une faible fraction de la période rf. Dans une source d'électrons classique, la durée requise du groupement d'électrons est grossièrement obtenue au moyen d'un système de formation de groupements d'élec- trons, mais seulement au prix d'une grave dégradation de la qualité du faisceau. Avec l'accélérateur d'électrons pulsé optiquement 10, la durée souhaitée du groupement des impulsions d'électrons 18 est automatiquement obtenue par sélection de La durée appropriée des impulsions Lumi- neuses incidentes 14. En outre, les effets défavorables du processus de formation de groupement d'électrons sont éliminés. Un aimant 28 peut être situé entre la source lu- mineuse pulsée 12 et la première cellule accélératrice 20. L'aimant 28 dévie les impulsions d'électrons accélérés 18 vers un laser à électrons libres (non représenté). Les impulsions lumineuses incidentes 14 traversent l',aimant 28 sans être déviées et pénètrent dans la première cellule accélératrice 20 à travers la première ouverture 24. Le mode de réalisation de l'accélérateur d'élec- trons pulsé optiquement 20 représenté en figure 1, 82180 comprend une seconde cellule accélératrice alimentée en puissance radio-fréquence 30 pour une accélération sup- plémentaire des impulsions d'électrons 18. La seconde cellule accélératrice alimentée en puissance radio-fréquence 30 présente des portions définissant une cavité 32 tra- versée par les impulsions d'électrons 18 et des parties définissant une ouverture de sortie 34 par laquelle les impulsions d'électrons accélérés 18 quittent la seconde cellule accélératrice 30. Selon le niveau d'énergie auquel on souhaite accélérer les impulsions d'électrons 18, on peut utiliser un nombre quelconque de cellules accéléra- trices. Les cellules accélératrices peuvent être à onde stationnaire ou à onde progressive. Dans le mode de réalisation présenté, on utilise une troisième source accélératrice alimentée en puissance radio-fréquence 36 et une quatrième cellule accélératrice alimentée en puis- sance radio-fréquence 38. La source d'électrons photo-émissive 16 peut être sélectionnée parmi des photo-émetteurs à semiconducteur de rendement élevé. Ces matériaux sont utilisés dans des dispositifs photomultiplicateurs de haute sensibilité et dans des dispositifs de vision nocturne. Ils présentent de préférence des rendements quantiques, c'est-à-dire des rendements de conversion de lumière visible en élec- trons, supérieurs à 10% et pouvant atteindre 40%. La source d'électrons photo-émissive 16 peut être un émetteur d'électrons de composés III-V à affinité pour les électrons négatifs tels que GaAs, GaP ou GaAsP. La source d'électrons photo-émissive 16 peut être un composé monoalcalin tel que Cs3Sb, K3Sb ou Rb3Sb, ou un composé polyaLcalin tel que NaKSb, KCsSb ou CsNaKSb. Comme source d'électrons photo-émissive 16 pouvant être utilisée dans l'infrarouge, on citera AgOCs. Des halogénures d'aL- cali tels que CsI, NaI, CsBr, CsCl ou KBr peuvent être utilisés dans le proche ultra-violet, de même que les telLurures de Cs et de Rb. 82180 On se référera à présent à la figure 2, qui re- présente schématiquement un autre mode de réalisation de l'invention. Les différences entre le mode de réali- sation de la figure 2 et celui de la figure 1, sont que dans la figure 2 l'accélérateur d'électrons pulsé op- tiquement 10 ne comprend pas d'aimant 28 (comme le repré- sente la figure 1) et que la première cellule accéléra- trice 20 comprend des parties définissant une seconde ouverture 40. La source lumineuse pulsée 12 est disposée de telle manière que les impulsions lumineuses incidentes 14 pénètrent dans la première cellule accélératrice 20 à travers la seconde ouverture 40 et viennent frapper la source d'électrons photo-émissive 16. Des impulsions d'électrons 18 quittent la quatrième cellule accéléra- trice 38 et peuvent être utilisées sans être déviées par l'aimant 28 représenté dans la figure 1. On se référera à présent à la figure 3 qui illus- tre schématiquement un autre mode de réalisation de l'invention. Les différences entre le mode de réalisation de la figure 3 et celui de la figure 1 sont que, dans la figure 3, l'accélérateur d'électrons pulsé optiquement ne comprend pas d'aimant 28 (comme représenté dans la figure 1), et que la source lumineuse pulsée 12 est disposée de telle manière que les impulsions lumineuses incidentes 14 viennent frapper la source d'électrons photo-émissive 16 sans pénétrer dans la première cellule accélératrice 20. La description ci-dessus de plusieurs modes de réalisation de l'invention a été présentée à titre d'illus- tration et de description. Elle n'a pas pour but d'être exhaustive ou de limiter l'invention aux formes particulières décrites. Celles-ci ont été choisies et décrites de façon à mieux expliquer les principes de l'invention et son application pratique afin de permettre aux spécialistes de l'art d'utiliser au mieux l'invention sous diverses formes de réalisation et en y apportant diverses modifi- cations selon les besoins de l'utilisation particulière 82180 envisagée. IL est entendu que te cadre de la présente invention est défini par les revendications annexées. 82180 1 1 REVENDICATIONS 1. Accélérateur d'électrons pulsé optiquement comprenant: a) une source lumineuse pulsée (12) fournissant des impulsions lumineuses incidentes discrètes (14); b) une source d'électrons photo-émissive (16) associée et répondant à ladite source lumineuse pulsée pour émettre des impulsions d'électrons (18) ayant pra- tiquement la même durée que lesdites impulsions lumineuses incidentes; et c) une première cellule accélératrice alimentée en puissance radio-fréquence (20) pour accélérer les im- pulsions d'électrons (18) émises par ladite source d'é- lectrons photo-émissive (16), ladite première cellule accélératrice alimentée en puissance radio-fréquence ayant des parties définissant une cavité (22) traversée par lesdites impulsions d'électrons (18) et ayant une paroi intérieure (26) sur laquelle ladite source d'élec- trons photo-émissive (16) est disposée, ladite cellule accélératrice alimentée en radio-fréquence ayant des parties définissant une première ouverture (24) dans laquelle lesdites impulsions d'électrons accélérés quit- tent ladite première cellule accélératrice atimentée en puissance radio-fréquence. 2. Injecteur amélioré pour laser à électrons libres, ledit injecteur comprenant un accélérateur d'élec- trons pulsé optiquement selon la revendication 1, ledit accélérateur d'électrons pulsé optiquement comprenant: a) une source lumineuse pulsée (12) pour fournir des impulsions Lumineuses incidentes discrètes (14); b) une source d'électrons photo-émissive (16) associée et sensible à ladite source lumineuse pulsée (12) pour émettre des impulsions d'électrons (18) ayant pra- tiquement la même durée que lesdites impulsions lumineuses incidentes; et 82180 tZ c) une première cellule accélératrice alimentée - en puissance radio-fréquence (20) pour accélérer les impulsions d'électrons (18) émises par Ladite source d'électrons photo-émissive (16), Ladite première cellule accélératrice alimentée en puissance radiofréquence ayant des parties définissant une cavité (22) traversée par lesdites impulsions d'électrons et ayant une paroi intérieure sur laquelle ladite source d'électrons d'électrons photo-émissive est disposée, ladite celule accélératrice alimentée en puissance radio- fréquence ayant des parties définissant une première ouverture (24) par laquelle lesdites impulsions d'électrons accélérés quittent ladite première cellule accélératrice aLimentée en puissance radio-fréquence. 3. Injecteur amélioré pour Laser à électrons libres, selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'elle comprend en outre un aimant (28) pour dévier lesdites impulsions d'électrons accélérés (18) vers le laser à électrons libres, ledit aimant (28) étant disposé entre ladite source lumi- neuse pulsée (12) et ladite cellule accélératrice alimentée en'puissance radio-fréquence (20), lesdites impulsions lumineuses incidentes (14) traversant ledit aimant (28) sans être déviées et pénétrant dans ladite première cellule accélératrice' alimentée en puissance radio-fréquence par ladite première ouverture. 4. Injecteur amélioré pour laser à électrons li- bres selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite première cellule accélératrice alimentée en puissance radio-fréquence comprend des parties déffiissant une seconde ouverture (34), ladite source lumineuse pulsée étant dis- posée de façon à ce que lesdites impulsions lumineuses incidentes pénètrent dans ladite première cellule accélé- ratrice alimentée en puissance radio-fréquence par Ladite seconde ouverture (34) et viennent frapper ladite source d'électrons photo-émissive (16). 82180 5. Injecteur amélioré pour Laser à électrons Libres selon La revendication 2, caractérisé en ce que Ladite source lumineuse puLsée comprend un laser. 6. Injecteur amélioré pour laser à électrons li- bres selon la revendication 5, caractérisé en ce que Ledit laser comprend un laser à verrouillage de mode. 7. Injecteur amélioré pour laser à électrons libres selon La revendication 5, caractérisé en ce que Ledit laser comprend un laser déclenché. 8. Injecteur amélioré pour laser à électrons Libres selon La revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une pLuralité de cellules accélératrices alimentées en puissance radio-fréquence, connectées en série ayant chacune des parties définissant une cavité traversée par lesdites impulsions d'électrons et ayant chacune des parties définissant une ouverture de sortie par laquelle lesdites impulsions d'électrons quittent chacune lesdites cellules accélératrices alimentées en puissance radio-fréquence. 9. Injecteur amélioré pour laser à électrons libres selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite source d'électrons photo- émissive comprend un émetteur d'électrons de composés III-V à affinité pour les électrons négatifs. 10. Injecteur amélioré pour laser à électrons libres selon La revendication 2, caractérisé en ce que la source d'électrons photoémissive comprend un composé monoaLcaLin. 11. Injecteur amélioré pour laser à électrons libres selon la revendication 2, caractérisé en ce que la source d'électrons photo- émissive comprend un composé polyalcalin. 12. Injecteur amélioré pour laser à électrons libres selon la revendication 2, caractérisé en ce que la source d'électrons photo-émissive comprend un haLo- génure d'alcali. 82180 13. Injecteur amélioré pour Laser à électrons libres seLon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite première cellule accélératrice alimentée en puissance radio-fréquence comprend un accélérateur à onde stationnaire. 14. Injecteur amélioré pour laser à électrons libres selon la revendication 2, caractérisé en ce que Ladite première cellule accélératrice alimentée en puissance radio-fréquence comprend un accélérateur à onde progressive.