Brevet FR2612726A1 — publié le 19880923

DISPOSITIF ACCELERATEUR DE PARTICULES COMPORTANT UNE CAVITE SUBHARMONIQUE L'invention concerne un dispositif accélérateur de particules chargées, et particulièrement des moyens destinés à réaliser, d'une manière simplifiée, un groupement en paquets des particules, tels qu'il réduisent le nombre de paquets en augmentant la charge accélérée contenue dans chacun d'entre eux. 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 électromagnétique à haute fréquence, également injectée dans la ligne ou structure accélératrice. En général, les structures accélératrices comportent une succession de cavités résonantes ou cavités accélératrices, dimensionnées pour fonctionner avec une onde électromagnétique haute fréquence dont la fréquence est par exemple voisine de 3000 MHertz (bande S). En vue d'accroître la charge accélérée par paquet, il est connu de prégrouper en paquet les particules chargées, des électrons par exemple, grace à au moins une cavité située sur le trajet des électrons, entre une source de particules ou canon à électrons, et la structure accélératrice dans laquelle les paquets d'électrons sont injectés et accélérés. Généralement, le canon à électrons comporte une cathode thermo-émissive et une anode qui sont alimentées en haute tension la cathode produit des électrons qui sont accélérés sous Effet de cette haute tension et franchissent l'anode pour pénétrer ensuite dans la cavité de prégroupement selon un courant électronique continu; ce courant électronique est modulé dans la cavité de prégroupement sous l'effet d'une onde électromagnétique injectée dans cette cavité de prégroupement. Les paquets d'électrons ont une durée et une fréquence de répétition ou période déterminée par les caractéristiques de fonctionnement de la cavité de prégroupenent. Dans le but d'obtenir des paquets de particules dont la période est plusieurs fois plus grandes que celles de la première onde électromagnétique injectée dans la structure accélératrice, on utilise une cavité de pré groupement dite subharmonique, c'est-à-dire que la seconde onde électromagnétique injectée dans la cavité de prégroupement a une fréquence inférieure à celle de la première onde électromagnétique injectée dans la structure accélératrice ; les dimensions de la cavité de pré groupement étant adaptées pour que cette dernière résonne à la fréquence de la seconde onde électromagnétique qui lui est injectée. Traditionnellement, un dispositif de glissement qui permet de parfaire le groupement en paquet des électrons, est disposé entre la sortie de la cavité de prégroupement et l'entrée de la structure accélératrice, c'est-à-dire l'entrée de la première des cavités accélératrices qui forment cette structure ; les particules chargées ou électrons n'étant pas soumises à l'action d'une onde électromagnétique sur toute la longueur du dispositif de glissement. Le dispositif de glissement est disposé selon un axe longitudinal de la structure accélératrice, cet axe représentant l'axe du faisceau de particules. Le dispositif de glissement a une iongueur relativement importante, par rapport aux autres éléments tels que cavité subharmonique et cavités accélératrices: ainsi par exemple, la longueur du dispositif de glissement est couramment supérieure à 300 millimètres, dans le cas où la fréquence de la seconde onde injectée dans la cavité de prégroupement est de 500 Mhertz, pour une vitesse moyenne des électrons moitié de celle de la lumière. On observe que les électrons, durant leur passage dans le dispositif de glissement, ont tendance à diverger de l'axe du faisceau sous l'effet notamment de leur répulsion mutuelle ou charge d'espace. Cette divergence exige d'utiliser des éléments de focalisation disposés notamment autour du dispositif de glissement. Toutefois, ces éléments de focalisation ne permettent pas toujours d'éviter une divergence du faisceau, particulièrement lorsque l'intensité de ce dernier est relativement élevée, de l'ordre de l'ampère ou plus. La présente invention concerne un dispositif accélérateur de particules chargées, du type comportant au moins une cavité du type subharmonique. Le dispositif accélérateur selon l'invention est agencé d'une manière nouvelle qui lui permet, d'obtenir des groupements en paquet des particules chargées d'une manière beaucoup plus simple et plus efficace que dans l'art antérieur, d'obtenir une structure générale beaucoup plus compacte et éviter notamment les phénomènes de divergence ci-dessus cités. Selon l'invention, un dispositif accélérateur de particules chargées, comportant une source de particules chargées, au moins une cavité de type subharmonique précédant une structure accélératrice formée d'une succession de cavités accélératrices et dans laquelle les particules sont injectées et accélérées sous l'effet d'une première onde électromagnétique, une seconde onde électromagnétique étant injectée dans la cavité subharmonique, la cavité subharmonique et une première cavité accélératrice comportant respectivement un premier et un second plan d'entrée situés à une distance donnée l'un de l'autre le long d'un axe longitudinal de la structure accélératrice, est caractérisé en ce que la valeur du rapport de la distance entre les plans d'entrée de la cavité subharmonique et de la première cavité accélératrice, à la longueur d'onde de la seconde onde électromagnétique, est inférieur à 0,3. L'invention sera mieux comprise grâce à la description qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif, et aux deux figures annexées parmi esquelles: - la figure 1 montre schématiquement une version préférée d'un dispositif accélérateur linéaire conforme à l'invention; - la figure 2 illustre schématiquement faction d'une bobine de focalisation montrée à la figure I. La figure 1 montre de manière schématique un dispositif accélérateur linéaire de particules chargées 1, comportant notamment une source de particules 2, une cavité subharmonique 3 et une structure accélératrice 4. Dans l'exemple non limitatif décrit, la source de particules 2 est constituée par un canon à électrons en lui-même classique. Le canon à électrons 2 comporte une cathode 5 et une anode 6, portées respectivement à une polarité négative et à une polarité positive -HT, +HT, d'une haute tension de valeur VO délivrée par un générateur haute tension 8. L'anode 6 est percée par un trou 7 centré sur un axe longitudinal 9 de la structure accélératrice 4 ; la cathode 5 produit des électrons qui sont accélérés dans le canon à électrons 2, et forment un faisceau (non représenté) dont l'axe est confondu avec l'axe longitudinal 9. Les électrons, en sortant du canon à électrons 2, traversent successivement la cavité subharmonique 3, et la structure accélératrice 4 dans laquelle ils sont accélérés sur un axe d'accélération correspondant à l'axe longitudinal 9. Dans l'exemple non limitatif décrit, la source de particules 2 est pratiquement accolée à la cavité subharmonique 3, dont elle est séparée uniquement par une plaque de blindage 17 en fer. Ceci signifie que le crossover se trouve sensiblement au niveau du plan d'entrée haute fréquence, c'est-à-dire au niveau d'un plan d'entrée 30 de la cavité subharmonique 3; le terme "crossover" est connu par l'homme du métier pour définir le lieu où le faisceau est de plus faible diamètre. La structure accélératrice 4 est formée de manière classique, par une succession de n cavités accélératrices, C1,C2,...,Cn disposées l'une derrière l'autre, le long de l'axe longitudinal 9. La structure accélératrice 4 comporte, de manière en elle-même connue, des cellules de couplage Al,A2,...,An' disposées entre les cavités accélératrices C1 à Cn. II est à remarquer que dans l'exemple non limitatif décrit, la structure accélératrice 4 est du type bipériodique à ondes stationnaires, prévue pour fonctionner en bande 5 c'est-à-dire à environ 3000 Mhertz, mais dans l'esprit de l'invention, cette structure pourrait tout aussi bien être d'un type différent. Les particules produites par la source 2 sont accélérées dans la structure accélératrice 4 sous l'effet d'une onde électromagnétique Ol de fréquence 3000 Mhertz, délivrée par un générateur d'ondes 20. L'onde électromagnétique 01 est transportée de manière traditionnelle par un guide d'ondes 21 qui pénètre dans la structure accélératrice 4, dans la troisième cavité accélératrice C3 par exemple, afin d'y injecter de manière classique l'onde électromagnétique 01. La cavité subharmonique 3 est prévue pour fonctionner à une seconde fréquence F2, plusieurs fois inférieures à la première fréquence F1 de la première onde électromagnétique 01. Dans l'exemple non limitatif décrit, la cavité subharmonique 3 est dimensionnée pour fonctionner avec une seconde onde électromagnétique 02 ayant une seconde fréquence F2 de l'ordre de 500 Mhertz. La seconde onde électromagnétique 02 est produite par un second générateur d'ondes 25, à partir duquel elle est transportée jusque dans la cavité subharmonique 3 par une ligne de transmission 26 terminée par une boucle de couplage 27. La cavité subharmonique 3, dans laquelle est injectée la seconde onde électromagnétique 02, est destinée à grouper en paquet les particules ou électrons délivrés par la source de particules 2 ; ces électrons étant délivrés par la source 2 sous la forme par exemple d'impulsions relativement longues, de par exemple plusieurs millisecondes, durant lesquelles les électrons forment un courant continu. Durant leur passage dans la cavité subharmonique 3, ces électrons sont assemblés en paquets tels que le paquet 60 montré dans la première cavité accélératrice C1. Les paquets 6G se suivent à une même fréquence que la seconde fréquence F2 de la seconde onde électromagnétique 02 ; c'est la raison pour laquelle il n'y a pas de paquet dans la troisième cavité accélératrice C3. La cavité subharmonique 3 et la première cavité accélératrice C1 sont pratiquement accolées, c'est-à-dire que le dispositif accélérateur 1 selon l'invention ne comporte pas, comme dans l'art antérieur, de dispositif de glissement disposé entre la cavité subharmonique 3 et la structure accélératrice 4 ou première cavité accélératrice C1.Le groupement en paquet des particules est obtenu au moins aussi bien que dans l'art antérieur, grâce d'une part au positions relatives qui sont conférées, le long de l'axe longitudinal 9, entre le premier plan d'entrée 30 de la cavité subharmonique 3 et un second plan d'entrée 31 de la première cavité accélératrice Cl; et d'autre part en injectant dans la cavité subharmonique 3 la seconde onde électromagnétique 02 avec une puissance appropriée à développer, entre le premier plan d'entrée 30 et un plan de sortie 32 de la cavité subharmonique 3, c'est-à-dire aux bornes de cette dernière, une tension crête V1 supérieure à la tension d'alimentation VO appliquée entre l'anode 6 et la cathode 5 de la source de particules 2. A cette fin, d'une part, selon une caractéristique de l'invention, les plans d'entrée 30,31 de la cavité subharmonique 3 et de la première cavité accélératrice C1, sont placés le long de l'axe longitudinal 9, à une distance D l'un de l'autre dont le rapport à une longueur d'ondes X 2 de la seconde onde électromagnétique 02 est inférieur à 0,3 ; soit Dl X 2 Dans l'exemple non limitatif de la description, la distance D est de l'ordre de 115 millimètres, soit un rapport DIX 2 = 0,191, soit 40,2, avec une longueur L1 de la cavité de prégroupement 3, le long de l'axe longitudinal 9, de l'ordre de 90 millimètres. Aussi, entre le plan de sortie 32 de la cavité subharmonique 3 et le plan d'entrée 31 de la première cavité accélératrice C1, les particules traversent un espace 35 où elles ne sont soumises à aucun champ, sur une seconde longueur L2 de l'ordre de 20 millimètres qui peut être considérée comme un espace de glissement ; mais il est à remarquer que cette seconde longueur L2 est très inférieure à la longueur d'un dispositif de glissement (non représenté) qui dans l'art antérieur est disposé entre la cavité subharmonique et la première cavité accélératrice.Dans l'art antérieur, le rapport D/ > 2 est dans tous les cas supérieur à 0,5. D'autre part, la faible valeur du rapport Dl X 2 dans le dispositif accélérateur 1 de l'invention, est rendue possible par une modulation intense du courant de particules par la seconde onde électromagnétique 02, dans la cavité subharmonique 3. La valeur de modulation peut s'exprimer par un rapport de la tension crête V1 développée aux bornes de la cavité subharmonique 3, c'est-à-dire entre le plan avant 30 et le plan de sortie 32 de cette dernière, à la tension d'alimentation VO appliquée entre cathode et anode 5,6 de la source de particules 2, soit VI/VO. Selon une caractéristique de l'invention, le rapport Vl/VO de la tension crête V1 à la tension d'alimentation VO de la source 2 doit être supérieur à 1 (V 1/VO > 1). Des simulations effectuées aux fréquences de fonctionnement et aux dimensions ci-dessus citées, ont montrés que des résultats particulièrement bons étaient obtenus avec une modulation telle que VI/VO = 2. I1 est à remarquer que de telles valeurs de la modulation sont très supérieures aux valeurs habituellement retenues dans l'art antérieur, où Vl/VO est inférieur à 1.Dans les simulations précédemment citées, la puissance de l'onde électromagnétique 02 injectée dans la cavité de prégroupement 3, était de l'ordre de 2 kw, d'où il résultait une tension crète V1 entre les faces d'entrée et de sortie 31,32 d'environ 100 KV, pour une tension d'alimentation VO de la source de particules 2 de l'ordre de 50 KV. Le dispositif accélérateur 1 comporte en outre au moins un élément de focalisation. Dans l'exemple non limitatif décrit, l'élé- ment de focalisation est constitué par un solénolde ou bobine de focalisation 40, disposé autour de la structure accélératrice 4, particulièrement autour de la première cavité accélératrice C1. La bobine de focalisation 40 produit un champ magnétique Bg qui, à l'intérieur 41 de la bobine 40, est orienté selon l'axe longitudinal 9 une troisième longueur L3 de la bobine 40 étant parallèle à l'axe longitudinal 9. Avec le dispositif accélérateur 1 selon l'invention, le faible rapport D/ 2 permet à la bobine de focalisation 40 d'avoir une action de focalisation particulièrement intéressante : en effet, à l'extérieur de la bobine de focalisation 40, les lignes du champ magnétique (non représentées) qu'elle engendre, convergent pour entrer à l'intérieur 41 de la bobine 40 dans une zone dans laquelle est comprise la distance D entre les plans avant 30,31 de la cavité subharmonique 3 et de la première cavité accélératrice C1.Il en résulte une focalisation particulièrement efficace des particules, due à l'accroissement du champ magnétique Bo sur l'axe longitudinal 9 ; le champ B0 pouvant avoir, sur l'axe longitudinal 9, une première valeur B1 au niveau du premier plan d'entrée 30 et une seconde valeur B2 plus grande au niveau du second plan d'entrée 31 ; la seconde valeur B2 pouvant être facilement plus grande que deux fois la première valeur BI, soit B2/Bl > , 2. A cette fin par exemple, la bobine 40 a un rayon moyen R, dont la valeur est sensiblement égale à la distance D ; les autres caractéristiques de la bobine de focalisation 40 étant simples à déterminer pour l'homme du métier. La figure 2 illustre par une courbe 50, les valeurs du champ magnétique BO (portées en ordonnée), le long de l'axe longitudinal 9 (en abscisse) ; des traits 30,32,31 perpendiculaires à l'axe longitudinal 9, représentent respectivement la première face d'entrée et la face de sortie de la cavité subharmonique 3 et la face d'entrée de la première cavité accélératrice C1. On observe que dans une zone qui précède le premier plan d'entrée 30 de la cavité subharmonique 3, le champ croit très rapidement pour atteindre la perrière valeur B1 au niveau du premier plan d'entrée 30 ; cette loi de champ est rendue possible par la présence de la plaque de blindage 17, montrée à la figure 1. Le champ croît ensuite plus lentement pour atteindre la seconde valeur B2, au niveau du second plan d'entrée 31 de la première cavité accélératrice C1. REVENDICATIONS 1. Dispositif accélérateur de particules chargées, comportant une source de particules (2), au moins une cavité subharmonique (3), une structure accélératrice (4) formée d'une succession de cavités accélératrices (Cl,C2,...,Cn) disposées selon un axe longitudinal (9), les particules étant accélérées dans la structure accélératrice (4) sous l'effet d'une première onde électromagnétique (01) de fréquence F1, une seconde onde électromagnétique (02), ayant une seconde fréquence F2 inférieure à la première fréquence F1, étant injectée dans la cavité subharmonique (3), la cavité subharmonique (3) et une première cavité accélératrice (Cl) comportant respectivement un premier plan d'entrée (30) et un second plan d'entrée (31) placés à une distance (D) donnée l'un de l'autre le long de l'axe longitudinal (9), caractérisé en ce que le rapport de la distance (D) entre les deux plans d'entrée (30,31) à la longueur d'onde (X 2) correspondant à la seconde fréquence F2 de la seconde onde électromagnétique (02), a une valeur inférieure à 0,3 (D/2 2 C 0,3), et en ce que la seconde onde électromagnétique (02) développe, entre le premier plan d'entrée (30) et un plan de sortie (32) de la cavité subharmonique (3), une tension crête (V1) supérieure à une tension d'alimentation (VO) de la source de particules (2). 2. Dispositif accélérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport de la distance (D) entre les plans d'entrée (30,31) à la longueur d'ondes (X2) de la seconde onde électromagnétique (02) est sensiblement égal à 0,2. 3. Dispositif accélérateur selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que le rapport de la tension crête (V1) à la tension d'alimentation (VO) de la source de particules (2) est sensiblement égal à 2 (V I/VO- 2). 4. Dispositif accélérateur selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de focalisation (kO) engendrant un champ magnétique (BO) orienté selon l'axe longitudinal (9), le champ magnétique (BO) ayant des valeurs (B1,B2) croissantes entre les deux plans d'entrée (30,31), une première valeur (B1) au niveau du premier plan d'entrée (30) étant inférieure à une seconde valeur (B2) au niveau du second plan d'entrée (31). 5. Dispositif accélérateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le rapport de la seconde valeur (B2) à la première valeur (B1) est sensiblement égal à 2 (B2/Bl 2). 6. Dispositif accélérateur selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que les moyens de focalisation comportent un solénôîde (40) ayant un rayon (R) de valeur sensiblement égale à la distance (D) entre les deux plans d'entrée (30,31). 7. Dispositif accélérateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source de particule (2) est accolée à la cavité subharmonique (3).