Brevet FR2587164A1 — publié le 19870313

DISPOSITIF DE PREGROUPEMENT ET D'ACCELERATIONS D'ELECTRONS L'invention est relative à un dispositif de prégroupement et d'accélération d'électrons à l'aide d'un champ électrique de même direction que le trajet des particules. Un tel dispositif constitue le premier étage d'un accélérateur linéaire. Dans certains appareils de ce type, le champ électrique est fourni par un générateur hyperfréquences alimentant des cavités résonantes successives, disposées et conformées de façon telle que les champs alternatifs de deux cavités voisines soient déphasés de rr radians environ. En outre la longueur de chaque cavité est choisie pour que les particules traversent cette cavité en un temps qui est environ la moitié de la période du champ alternatif.De cette manière, les particules sont accélérées de façon successive par les cavités ; en effet quand, dans une cavité, le champ électrique a sa valeur maximale dans le sens accélérateur, au même moment dans la cavité immédiatement suivante le champ est opposé; mais après une demie période les électrons qui ont traversé la première cavité voient dans la cavité suivante un champ maximal dans le sens accélérateur. Il est également possible de prévoir un déphasage de valeur différente entre les champs de deux cavités successives, à condition d'adapter les longueurs aux déphasages entre cavités. Dans le brevet français n" 2 110 799 est décrit un dispositif de prégroupement et d'accélération d'électrons dans lequel le groupement des électrons s'effectue sur une faible longueur. Par contre l'accélération de ces électrons s'effectue sur une longueur relativement importante. Les électrons exerçant des forces répulsives les uns par rapport aux autres le faisceau a tendance à se défocaliser (c'est-à-dire à augmenter son extension transversalement à la propagation) tant que l'énergie qui lui est fournie n'est pas d'une grande valeur. On a donc intérêt, pour s'opposer à la défocalisation, à conférer une forte énergie sur une courte longueur. L'invention permet d'atteindre ces résultats. A cet effet le dispositif selon l'invention comprend au moins deux cavités résonantes à faible distance l'une de l'autre et de préférence accolées, I'amplitude du champ électrique dans la cavité d'entrée étant inférieure à l'amplitude du champ électrique dans la seconde cavité et ces champs étant tels que le groupement et l'accélération des électrons sont effectués sur la longueur de ces deux cavités. Pour obtenir des résultats satisfaisants il est préférable que le rapport entre l'amplitude du champ électrique dans la seconde cavité et l'amplitude du champ électrique dans la cavité d'entrée soit au moins égal à 1,5 et au plus égal à 3. En outre le champ électrique dans la première cavité est de préférence au moins égal à 5 Mégavolts par mètre et dans la seconde cavité l'amplitude du champ électrique est supérieure ou égale à 10 Mégavolts par mètre. Par ailleurs l'invention vise à augmenter le rendement de l'accélérateur. En effet dans la cavité d'entrée d'un tel accélérateur, pendant environ la moitié du temps, le champ électrique est décélérateur; ainsi seulement environ la moitié des particules sont accélérées. Autrement dit le rendement (rapport du nombre de particules accélérées au nombre de particules fournies à l'entrée) de l'accélérateur est de l'ordre de 50 %. Diverses dispositions ont été prévues pour augmenter le rendement d'un accélérateur. Outre le procédé connu de prégroupement séparé on citera, à titre d'exemple, les dispositions décrites dans ledit Brevet Français nO 2 110 799. Mais avec les techniques connues jusqu'à présent le rendement dépasse rarement 60% environ, le plus souvent cette augmentation s'effectue au détriment de la simplicité de la réalisation de l'accélérateur. L'invention permet d'atteindre un rendement d'accélération des particules de 100% sans augmenter la complexité de l'appareil. Elle est caractérisée, selon son second aspect, en ce que l'amplitude du champ électrique dans la première cavité est limitée par rapport à l'énergie d'entrée des particules de façon telle que, même lorsque le champ a sa valeur maximale dans le sens décélé rateur, il ne peut s'opposer à ce que les particules traversent la cavité. De préférence pour obtenir à la fois un rendement élevé et un groupement efficace et une accélération importante sur une courte longueur, on combine les deux aspects de l'invention, c'est-à-dire qu'à cette première cavité est accolée au moins une seconde cavité accélératrice dans laquelle l'amplitude du champ est nettement supérieure à celle du champ dans la première cavité. Cette seconde cavité confère une énergie importante aux électrons, ce qui contribue à maintenir le groupement des électrons s'effectuant dans la première partie de cette seconde cavité mais résultant surtout de l'effet de la première cavité. Cette réalisation permet donc, sur une courte longueur - qui est celle sur laquelle s'étend l'ensemble formé par la première cavité et le début de la seconde cavité - de capturer tous les électrons ou une grande partie d'entre eux, et de les grouper et les accélérer fortement. Si le générateur alimente la seconde cavité, ou une cavité à l'aval, la faible amplitude du champ électrique dans la première cavité, par rapport à l'amplitude du champ dans la seconde cavité, est obtenue par le dimensionnement, à une valeur suffisamment faible, de l'iris séparant la première de la seconde cavité. Si le couplage entre le générateur d'ondes électromagnétiques hyperfréquences et la structure accélératrice introduit une perturbation radiale, il est préférable de prévoir une troisième cavité en aval de la seconde afin que les particules aient déjà une énergie élevée lorsqu'elles rencontrent une perturbation radiale, ce qui limite l'effet de cette perturbation. Un autre avantage de cette troisième cavité à laquelle est couplé le générateur d'ondes hyperfréquences est que l'extension radiale que nécessite ce couplage est éloignée des première et seconde cavités, c'est-à-dire qu'on peut aisément prévoir, pour améliorer la focalisation du faisceau d'électrons, une bobine génératrice de champ magnétique entourant complètement ces deux premières cavités.Il est aussi préférable (mais non indispensable) que l'amplitude du champ dans cette troisième cavité soit supérieure à celle de la première cavité afin que la troisième cavité assure, comme la seconde, une grande accélération et une compensation des écarts d'énergie. Dans une réalisation les champs électriques de deux cavités voisines sont déphasés deliradians. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront avec la description de certains de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ci-annexés sur lesquels: - la figure 1 est un schéma d'un dispositif selon l'invention, - la figure 2 est un diagramme montrant les niveaux de champs électriques dans les cavités du dispositif de la figure 1, et - la figure 3 est un diagramme très simplifié montrant l'effet groupeur du dispositif de la figure 1. Dans l'exemple les particules à accélérer sont des électrons engendrés par un canon à électrons (non représenté) d'énergie 80 KeV. Les électrons sont produits de façon continue et sont groupés et accélérés de façon à former des paquets par étage d'entrée 10 (figure 1) ou dispositif de prégroupement et d'accélération. Le groupement et l'accélération sont obtenus grâce à une onde électromagnétique hyperfréquence fournie par un générateur (non montré) connecté au dispositif 10 par un couplage 11 du type radial introduisant l'énergie de cette onde dans la cavité de sortie 15 du dispositif. Les électrons sont introduits dans une cavité d'entrée 13 séparée de la cavité de sortie 15 par une cavité intermédiaire 14. Les trois cavités 13, 14, 15, de façon classique, sont constituées à partir de cylindres métalliques de même axe 15' et de même diamètre et sont séparées par des parois 16 (entre les cavités 13 et 14) et 17 (entre les cavités 14 et 15) avec des trous centraux, ou iris, 161 et 171, pour permettre le passage des électrons. Ces cavités sont couplées électriquement au mode ,et résonnent à 2856 MHz. Les diamètres des ouvertures 161 et 171 des parois 16 et 17 sont tels que les amplitudes (niveaux maximaux) des champs électriques soient égales dans les cavités 14 et 15 et que l'amplitude du champ dans la cavité d'entrée 13 soit sensiblement inférieure. La figure 2 représente l'amplitude du champ électrique Ez en fonction de l'abscisse z, c'est-à-dire de la position sur l'axe 15'. La courbe 18 représente l'amplitude du champ dans la cavité 13, la courbe 19 I'amplitude du champ dans la cavité 14 et la courbe 20 I'amplitude du champ dans la cavité de sortie 15. Dans l'exemple les amplitudes maximales des champs 19 et 20 sont de l'ordre de 20 Mégavolts par mètre tandis que l'amplitude maximale du champ 18 dans la cavité d'entrée 13 est de l'ordre de 9 Mégavolts par mètre. Pour obtenir cette amplitude réduite du champ dans la cavité 13 par rapport à l'amplitude du champ dans les cavités 14 et 15 la section de l'ouverture 161 est plus faible que la section de l'ouverture l7. De façon plus précise la section de l'ouverture 171 est au moins égale à la valeur critique pour laquelle les amplitudes des champs dans les cavités 14 et 15 sont égales. Par contre la section de l'ouverture 161 est plus faible que cette valeur critique. La valeur faible du champ électrique dans la cavité 13 est telle que tous les électrons peuvent traverser la cavité 13, même ceux se trouvant dans cette cavité quand le champ électrique a son niveau maximal dans le sens opposé à la propagation. Pour déterminer la longueur de la cavité 13 on tient compte des considérations suivantes: sse #o L1 cl 2 (1) Dans cette formule L1 est la longueur équivalente de la cavité 13, c'est-à-dire la longueur d'une cavité fictive produisant le même effet sur les électrons mais dans laquelle l'amplitude (niveau maximal) du champ est constante sur toute la longueur ; \ est la longueur d'onde du champ électrique, et: ss0 V (2) C V étant la vitesse des électrons à l'entrée de la cavité et C la vitesse de la lumière.De préférence la longueur L1 est légèrement inférieure àssc #c Par ailleurs: 1,5 Vo # E1 L1 T1 (3) Dans cette formule Vo est l'énergie des électrons à l'entrée de la cavité 13, E1 est l'amplitude du champ électrique dans cette cavité et T1 est un facteur d'angle de transit moyen représentant le rapport entre l'énergie réellement acquise par les électrons et l'énergie qui serait acquise par ces derniers si le synchronisme entre champ électrique et électrons était respecté en tous points de la cavité. On sait que le facteur d'angle de transit moyen est lié au déphasage # de l'onde électromagnétique entre l'entrée et la sortie par la relation suivante: Sin T1 = 8 (4) 2 Du fait du choix de la valeur L1 selon la formule (1) ci-dessus le déphasage moyen entre l'entrée et la sortie est proche del(, radians.Il en résulte: T1 # 0,64 (5) Enfin il est nécessaire que l'énergie stockée par la cellule 13 soit supérieure à l'énergie prélevée par le faisceau, c'est-à-dire: E2 WHF = 1 > WF E1 L1 T1 I t (6) CL) (L WHF est l'énergie HF (hyperfréquence) stockée dans la cavité ; Wp est l'énergie prélevée par le faisceau ; I est l'intensité du faisceau, qui se présente par paquets, sous forme d'impulsions de durée T. I r est ainsi une quantité d'électricité exprimée en coulombs . W est la pulsation de l'onde électromagnétique et (L e=1) est l'impédance shunt de la cavité divisée par le facteur de surtension Q. La formule (6) ci-dessus montre que, pour obtenir le résultat souhaité, c'est-à-dire une énergie stockée HF supérieure à l'énergie prélevée par le faisceau afin que les diverses impulsions successives d'électrons soient accélérées par l'énergie HF stockée, il est préférable de conférer de faibles valeurs à l'impédance (L 1) et au facteur T1. Si la longueur LI est égale à 20 mm, I'amplitude E1 du champ est de 9 Mégavoltslmètre et si T1 ~ 0,64, la modulation moyenne apportée par la première cavité est de 115 Kev. Malgré cette-valeur moyenne supérieure à la valeur de l'énergie d'entrée V0 = 80 Kev des électrons toutes les particules traversent la cavité 13 car, comme on l'a déjà indiqué ci-dessus, T1 est une valeur moyenne et le facteur d'angle de transit est sensiblement inférieur pour les électrins les plus ralentis. L'amplitude El du champ dans la cavité 13 est de préférence telle que ce champ confère aux électrons arrivant lorsque le champ est accélérateur une énergie pratiquement égale à l'énergie d'entrée, c'est-à-dire qu'il est préférable que son amplitude soit le plus près possible de sa limite supérieure (au-delà de laquelle certains électrons ne traversent pas la cavité 13) pour conférer une accélération et un groupement convenables. Après avoir franchi de façon irréversible la barrière de potentiel de la cavité 13 les électrons sont fortement accélérés et groupés dans les cavités 14 et 15. Les longueurs des cavités 14 et 15 sont telles qu'elles assurent le quasi synchronisme des électrons par rapport au champ aux plans médians des cavités. Cependant la seconde cavité 14 a une longueur nettement plus faible que celle de la troisième cavité 15 car elle doit prendre en charge, pour les grouper, tous les électrons dont certains ont une très faible énergie d'entrée alors que la cavité 15 a surtout pour rôle d'accélérer les électrons et de compenser les écarts d'énergie entre ces électrons. Dans le plan médian de la cavité 15 les électrons sont en synchronisme avec le champ. La figure 3 est un diagramme dont l'abscisse représente la position des électrons sur l'axe z du dispositif 10 et l'ordonnée représente les phases relatives des électrons. au cours d'une période du signal HF. Chaque ligne correspond à un électron. Par exemple la ligne 25 représente l'évolution de la phase d'un électron entre son entrée dans la cavité 13 et sa sortie de la cavité 15. On voit que la cavité 13 assure un prégroupement modéré et une forte modulation des vitesses, alors que le début de la cavité 14 voit le prégroupement se préciser par suite de la modulation précédente et assure une forte accélération qui empêchera le dégroupement ultérieur. Le confinement radial des électrons est assuré à l'aide d'un champ magnetique produit par des bobines (non representées) ou par le champ électromagnétique HF comme décrit par exemple dans le Brevet Français no 83 14090 au nom de la demanderesse. Dans une variante le dispositif 10 ne comporte que deux cavités accolées, L'énergie HF étant introduite par la cavité 14. Le couplage entre le générateur HF et la cavité ou les cavités peut être assuré par une géométrie n'introduisant pas de dissymétrie, par exemple par un coupleur à géométrie de révolution autour de l'axe 15'. En variante encore, au lieu de faire appel au mode des cavités on peut utiliser des cavités en mode ;, les cavités ayant alors une géométrie dite bipériodique comme décrit par exemple dans un article intitulé: "Lectures on the elementary principles of linear accelerators" de G. A. LOEW et R. TALMAN publié dans l'ouvrage: "Physics of high energy particle accelerators" American Institute of Physics 1983. On notera aussi qu'il n'est pas indispensable que les amplitudes des champs 19 et 20 dans les cavités 14 et 15 soient égales. L'amplitude du champ 20 peut être soit supérieure à l'amplitude 19, soit inférieure. Comme déjà mentionné la structure décrite en relation avec la figure 1 peut être utilisée même dans le cas où on ne désire pas un fort rendement en électrons. Autrement dit l'invention englobe aussi le cas oU l'on prévoit deux cavités accolées 13 et 14 avec une amplitude de champ électrique 13 dans la cavité d'entrée inférieure à l'amplitude du champ électrique dans la seconde cavité 14, l'amplitude du champ dans cette cavité d'entrée pouvant cependant dépasser la valeur pour laquelle certains électrons ne la traversent pas. Une telle structure peut être utilisée par exemple avec une cathode à l'entrée de la cavité 13, les électrons étant arrachés de cette cathode par le champ électrique régnant dans cette cavité 13; dans ce cas le rendement est inférieur à 50 % mais on conserve l'avantage de groupement et d'accélération des électrons sur une courte longueur. REVENDICATIONS. 1. Dispositif de prégroupement et d'accélération d'électrons à l'aide d'un champ électrique alternatif de même direction que le trajet de ces particules, ce champ étant établi dans au moins deux cavités résonantes (13, 14), caractérisé en ce que les deux cavités (13, 14) sont à faible distance l'une de l'autre, I'amplitude du champ électrique dans la cavité d'entrée (13) étant inférieure à l'amplitude du champ électrique dans la seconde cavité (14) et ces champs étant tels que le groupement et l'accélération des électrons sont effectués sur la longueur de ces deux cavités (13, 14). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport entre l'amplitude du champ électrique dans la seconde cavité (14) et l'amplitude du champ électrique dans la première cavité (13) est au moins égal à 1,5. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le rapport entre l'amplitude du champ électrique dans la seconde cavité (14) et l'amplitude du champ électrique dans la cavité d'entrée (13) est au plus égal à 3. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'amplitude du champ électrique dans la cavité d'entrée (13) est au moins égale à 4 Mégavolts/mètre. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'amplitude du champ électrique dans la seconde cavité (14) est au moins égale à 10 Mégavolts/mètre. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le générateur de champ électrique (HF) est couplé à la seconde cavité résonante (14) ou à l'aval de cette dernière. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une troisième cavité (15) à l'aval de la seconde cavité (14) et à laquelle est connecté le générateur de champ (HF). 8. Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 à un accélérateur d'électrons comportant une cathode à l'entrée de la première cavité (13), le champ électrique dans cette première cavité (13) assurant l'extraction des électrons de la cathode. 9. Dispositif de prégroupement et d'accélération d'électrons à l'aide d'un champ électrique alternatif de même direction que le trajet des particules, ce champ étant établi dans une cavité résonante, caractérisé en ce qu'il comporte une cavité résonante(l3) dans laquelle l'amplitude du champ électrique alternatif est inférieure à une valeur limite telle que, lorsque ce champ a sa valeur maximale et est de sens tel qu'il s'oppose à la progression des électrons, ces derniers traversent cependant la cavité. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'amplitude du champ électrique dans la cavité (13) a une valeur très voisine de la valeur limite. 11. Dispositif selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce qu'il comporte une seconde(l4) cavité accolée à la première(l3) dans laquelle le champ électrique a une amplitude supérieure, la cavité (13) à amplitude de champ inférieure constituant la cavité d'entrée. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le générateur de champ électrique HF est couplé à la seconde cavité résonante (14) ou à l'aval de cette dernière. 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte une troisième cavité (15) à l'aval de la seconde cavité (14) et à laquelle est connecté le générateur de champ HF. 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que le couplage entre le générateur de champ HF et la troisième cavité (15) est du type radial. 15. Dispositif selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que le champ électrique dans la troisième cavité (15) a une amplitude supérieure- à l'amplitude du champ électrique dans la première cavité (13). 16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 11 à 15, caractérisé en ce que l'iris (161) séparant les première (13) et seconde (14) cavités a une section inférieure à la section critique pour laquelle les champs électriques dans les deux cavités résonantes ont des amplitudes égales. 17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 à 16, caractérisé en ce que la longueur équivalente (L1) de la première cavité résonante, I'amplitude (E1) du champ électrique dans cette cavité, le facteur d'angle de transit moyen (T1) et l'énergie (V0) d'entrée des électrons dans le dispositif satisfont à la relation suivante: 1,5 Vg ) E1 L1 T1 18. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 à 17, caractérisé en ce que la longueur équivalente î > de la cavité est liée à la longueur (#0) de l'onde électromagnétique HF et au rapport (ss 130) entre la vitesse d'entrée des électrons et la vitesse de la lumière par la relation suivante: L s > 2 19. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 à 18, caractérisé en ce que le facteur (T1). d'angle de transit moyen et l'impédance shunt divisée par le facteur de surtension Q de la première cavité (13) ont des valeurs suffisamment faibles pour que l'énergie (HF) stockée dans cette cavité soit supérieure à l'énergie prélevée par le faisceau d'électrons impulsionnel.