Brevet FR2616032A1 — publié le 19881202

ACCELERATEUR D'ELECTRONS A CAVITE COAXIALE DESCRIPTION La présente invention a pour objet un accélérateur d'électrons. Elle trouve une application dans l'irradiation de substances diverses telles que produits agro-alimentaires, soit directement par les électrons, soit par des rayonx X obtenus par conversion sur une cible en métal Lourd. On connaÂt un accélérateur d'électrons qui comprend, de manière générale, une cavité résonnante alimentée par une source de champ haute fréquence, et une source d'électrons capable d'injecter des électrons dans la cavité. Si certaines conditions de phase et de vitesse sont satisfaites, les électrons sont accélérés par le champ électrique pendant toute leur traversée de la cavité. Dans certains types d'accélérateurs, selon ce principe, le faisceau d'électrons traverse plusieurs fois la cavité. Le dispositif comprend alors un déflecteur d'électrons recevant le faisceau accéléré une première fois, le défléchissant d'environ 180 et le réinjectant dans la cavité pour une nouvelle accélération. Un deuxième déflecteur peut à nouveau défléchir le faisceau qui a subi deux accélérations, pour lui faire traverser une troisième fois la cavité et obtenir ainsi une troisième accélération, et ainsi de suite. Un tel dispositif est décrit par exemple dans le brevet français n 1 555 723 intitulé "Accélérateur d'électrons de MeV en régime permanent". Ce genre d'accélérateur présente un inconvénient qui est le suivant. Lors de la première injection dans la cavité, le faisceau d'électrons emprunte un trajet confondu avec l'axe de celle-ci. Le Long de ce trajet, le champ électrique n'a qu'une composante qui est dirigée suivant l'axe. Il y a donc bien accélération des électrons et il n'y a pas déviation du faisceau puisqu'il n'y a pas de composante transversale du champ magnétique. Cependant, lors de la seconde traversée de la cavité, Le faisceau d'électrons emprunte un parcours qui n'est plus dirigé selon l'axe. Une composante magnétique perpendiculaire à la composante axiale du champ électrique peut agir sur le faisceau d'électrons. Cette action va se traduire par une déviation des électrons. Cette déviation dépendra de la phase du champ électromagnétique, ce qui produira une dispersion du faisceau, dont, par voie de conséquence, une partie sera perdue sur les parois de la cavité. Par ailleurs, ce phénomène parasite s'amplifie au cours des traversées multiples. On connait cependant des accélérateurs à passages multiples qui évitent cet écueil grâce à une structure particulière des déflecteurs. Selon cette variante, décrite par exemple dans le brevet américain 3,349,335 les électrons effectuent une boucle complète en dehors de la cavité et sont réinjectés dans l'axe de celle-ci. Selon encore une autre variante, appelée parfois "Duotron", le faisceau d'électrons est renvoyé sur lui-même et effectue ainsi un aller et retour le long de l'axe de la cavité. Dans ces deux variantes perfectionnées, le faisceau d'électrons emprunte toujours, au cours de ses multiples traversées, un trajet pour lequel les champs déviateurs sont nuls (le champ électrique est parallèle au vecteur vitesse des électrons, et de sens opposé). Cependant, ces deux dispositifs sont complexes de mise en oeuvre: dans le premier, les diverses trajectoires des électrons ont bien une branche commune confondue avec l'axe de la cavité, mais les autres branches sont extérieures à la cavité, ce qui augmente la complexité et l'encombrement du dispositif. Dans le second, on est limité à un aller et retour du faisceau et le problème du renvoi des électrons sur eux-mêmes n'est pas simple à résoudre. La présente invention a justement pour but de remédier à ces inconvénients. A cette fin, elle propose un accélérateur d'électrons qui utilise une cavité dont la forme originale, dans cette application, permet de bénéficier des effets des traversées multiples tout en conservant la condition-énoncée plus haut sur l'absence de champs déviateurs le long des trajets empruntés par les électrons. De façon précise, la présente invention a pour objet un accélérateur d'électrons du type à accélérations multiples évoqué plus haut et qui est caractérisé par le fait que la cavité résonnante est une cavité coaxiale résonnant selon le mode fondamental, avec un conducteur- extérieur et un conducteur intérieur ayant même axe, le faisceau d'électrons étant injecté dans cette cavité dans le plan médian perpendiculaire à l'axe et selon un premier diamètre du conducteur extérieur, le déflecteur d'électrons gardant les électrons dans le plan médian et réinjectant le faisceau dans la cavité toujours dans le plan médian et selon un deuxième diamètre du conducteur extérieur, etc... le conducteur extérieur et le conducteur intérieur étant percés d'ouvertures diamétralement opposées empruntées par le faisceau au cours de ses traversées successives de la cavité. De toute façon, les caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui suit. Cette description se réfère à des dessins annexes sur lesquels: - la figure 1 montre une cavité coaxiale résonnant selon le mode fondamental, - la figure 2 permet d'illustrer une propriété de la cavité coaxiale relative à l'absence de champ magnétique dans le plan médian de la cavité, - la figure 3 montre, en coupe, un accélérateur d'électrons selon l'invention, - la figure 4 illustre des caractéristiques géométriques du dispositif de l'invention, et - la figure 5 montre une variante de réalisation de l'invention, destinée à diminuer les pertes ohmiques. Sur la figure 1, on voit une cavité coaxiale CC constituée par un conducteur cylindrique extérieur 10, un conducteur cyLindrique intérieur 20 et deux flasques 31 et 32. Une telle cavité possède un axe A et un plan médian Pm, perpendiculaire à l'axe. Parmi tous les modes de résonance possibles d'une telle cavité, il en est un, dit fondamental, de type transverse électrique, pour lequel le champ électrique E est purement radial dans le plan médian et décroit de part et d'autre de ce plan pour s'annuler sur les flasques 31, 32. Inversement, le champ magnétique est maximum le long des flasques et s'annule dans le plan médian en changeant de sens. Un tel mode peut être désigné, selon des conventions classiques, par TEo01, les initiales TE rappelant qu'il s'agit d'un mode o le champ électrique est transverse, o Le premier indice "0" indique que le champ a la symétrie de révolution, Le second indice "0" indique qu'il n'y a pas d'annulation du champ le long d'un rayon de la cavité, et le troisième indice de valeur 1 indique qu'il y a une demi-alternance du champ dans une direction parallèle à l'axe. Une telle cavité peut être alimentée par une source haute fréquence SHF couplée à la cavité par une boucle 34. Selon l'invention, le faisceau d'électrons est injecté dans la cavité coaxiale dans le plan médian de celle-ci. C'est en effet dans ce plan qu'il n'existe aucun champ parasite susceptible de dévier le faisceau. Comme ce point est primordial on peut s'y arrêter. Sur la partie a de la figure 2, on voit la cavité en coupe transversale dans le plan médian. Les champs électriques E1 et E2 sont égaux le long de deux rayons distincts. Un contour 17 est défini par ces deux rayons et par deux arcs de cercle le long desquels le champ électrique est radial. La circulation du champ électrique (c'est-à-dire l'intrégrale de ce champ) est nulle le long de ce contour. En conséquence, -le flux de l'induction magnétique à travers une surface s'appuyant sur ce contour est nul lui aussi. En d'autres termes, il n'y a pas de composante magnétique perpendiculaire au plan médian. Sur la partie b de cette même figure 2, on voit la cavité en coupe longitudinale. Le champ électrique étant symétrique par rapport au plan médian, les champs E3 et E4 le long de deux rayons infiniment proches et situés de part et d'autre de ce plan, sont égaux. La circulation du champ électrique le long d'un contour 18 constitué par ces deux rayons et par deux branches longitudinales, est nulle. En conséquence, le flux de l'induction à travers une surface s'appuyant sur ce contour est nul lui aussi. En d'autres termes, il n'y a pas de composante magnétique dans te plan médian. Ainsi, il n'y a aucune composante magnétique dans le plan médian Pm (ce qui revient à dire, de manière imagée, que le plan médian de la cavité est une zone purement capacitive). Le faisceau d'électrons ne sera donc soumis a aucune force déviatrice. La figure 3 montre, de façon schématique, un accélérateur complet conforme à l'invention. Le dispositif comprend une source d'électrons S, une cavité coaxiale CC, formée d'un conducteur cylindrique extérieur 10 et d'un conducteur cylindrique intérieur 20, deux déflecteurs d'électrons D1 et D2. Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant. La source d'électrons S émet un faisceau d'électrons Fe dirigé dans le plan médian de la cavité coaxiale CC représentée en coupe (le plan de la figure étant le plan médian). Le faisceau pénètre dans la cavité par une ouverture 11. Il traverse la cavité selon un premier diamètre dl du conducteur extérieur. Le conducteur intérieur 20 est percé de deux ouvertures 21 et 22, diamétralement opposées. Le faisceau d'électrons est accéléré par le champ électrique si les conditions de phase et de fréquence sont satisfaites (le champ électrique doit rester de sens oppose à la vitesse des électrons). Le faisceau accéléré sort de la cavité- par une ouverture 12 diamétralement opposée à l'ouverture 11. Il est ensuite défléchi par un déflecteur D1. Le faisceau est réintroduit dans la cavité coaxiale par une ouverture 13. IL emprunte alors un second diamètre d2 et subit dans La cavité une seconde accélération. Il ressort par l'ouverture 14. A sa sortie, le faisceau est à nouveau défléchi par un déflecteur D2 puis réintroduit dans la cavité par une ouverture 15. Il emprunte un troisième diamètre d3 et subit une troisième accélération, etc... Le principe de l'accélérateur de l'invention ayant été exposé, quelques considérations pratiques de mise en oeuvre vont maintenant être développées en ce qui concerne notamment la condition de synchronisme à respecter et l'impédance shunt. 1. Condition de sncbhronisme. Le caractère coaxial de la structure d'accélération entraîne que le champ électrique n'a pas la même direction dans la première et dans la seconde moitié du trajet emprunté par les électrons dans la cavité, autrement dit le long du rayon qui va du conducteur extérieur au conducteur intérieur, puis le long du rayon qui va du conducteur intérieur au conducteur extérieur. La variation spatiale du champ s'accompagne d'une variation temporelle puisque le champ possède une haute fréquence (quelques centaines de Mégahertz). Ces deux variations sont mises à profit en injectant le faisceau de manière telle que le champ électrique s'annule au moment o les électrons traversent le conducteur central. Le temps mis par les électrons à passer d'un conducteur à l'autre doit donc être inférieur à la demi-période du champ; le temps mis par les électrons pour traverser la totalité de La cavité est donc inférieur à ta période du champ. Comme ces électrons sont quasi relativistes on peut considérer que leur vitesse est voisine de la vitesse de la lumière c. On a donc: d2/c est la longueur d'onde du champ électromagnétique. Si l'on désigne par l la longueur du trajet emprunté par les électrons en dehors de la cavité, notamment dans le déflecteur, on doit avoir une condition supplémentaire qui est: d2 + l = k o k est un entier. Il est souhaitable, pour réduire l'encombrement du dispositif, de prendre k=l. Mais dans certains cas particuliers, on pourrait être amené à choisir k=2 (par exemple, pour loger plus facilement un système de focalisation entre Les aimants de déflexion et la cavité, ou pour avoir un plus grand rayon de courbure, afin d'utiliser une induction plus faible). On supposera par la suite que la condition d2+l=, est satisfaite. On désigne par Rc Le rayon de courbure dans l'un des déflecteurs et par Ra la distance entre l'axe de la cavité et l'entrée eD ou la sortie sD de ce défLecteur. Ces grandeurs sont illustrées sur La figure 4. Par ailleurs, L'angle entre deux trajets est égal à Â'/2n. On a donc les relations suivantes: Rc = Ra tg -n 2n n + 1 [ = ----- -V'Rc n d'o 2 +..... tg]Ra = n 2 Par exemple, pour n=6 et n=8 on aura respectivement: > -2 Ra,.8 Rc yl 8,99.10 Ra - -2-- Rc e 7,37.10 2 2,70 Pour une longueur d'onde de 3m, ce qui correspond à une fréquence de 100 MHz, on aura respectivement: Ra = 101 cm Rc = 27 cm Ra = 111 cm Rc = 22,1 cm Le rayon extérieur R2 délimitant le champ de la cavité doit évidemment être inférieur à Rc pour tenir compte de 2 616032 l'épaisseur de la paroi et permettre éventuellement de loger entre celleci et le déflecteur des dispositifs de focalisation auxiliaires. Les dimensions calculeées ci-dessus sont compatibles avec ces exigences pratiques. 2._ImpEdance-shunt La qualité électrique d'une cavité accélératrice est classiquement caractérisée par son impédance-shunt efficace, Zs eff, rapport du carré de l'énergie gagnée par l'électron au cours d'une traversée de la cavité (exprimée en électron-volt) à la puissance dissipée par effet Joule. A titre d'exemple, pour une cavité fonctionnant à 100 MHz, en prenant R2=0,8m, on obtient un maximum assez plat de Zs ff au voisinage de (R1/R2)=1/4. eff Dans ces conditions, le calcul donne Zs 10 M.L et ef f pour obtenir un gain d'énergie de 10 MeV avec six passages la puissance dissipée serait de 278 kW. Les impédances-shunt obtenues en pratique sont quelque peu inférieures aux valeurs théoriques, et en fait la puissance dissipée sera voisine de 350 kW. L'impédance-shunt, pour des cavités homothétiques, est proportionnelle à la racine de la longueur d'onde. Une cavité fonctionnant à 700 MHz accroissant l'énergie des électrons de MeV consommerait donc environ 125 kW. Pour un nombre de passages différent, les rayons de la cavité différeraient quelque peu, mais l'impédance-shunt varierait peu, et en première approximation la puissance dissipée varierait d'une façon inversement proportionnelle au nombre de passages. On a donc intérêt à utiliser un grand nombre de passages. On est en pratique limité dans cette voie par la diminution corrélative des rayons de courbure du faisceau dans les aimants de déviation, qui d'une part entraÂne une diminution de la section de passage offerte au faisceau et d'autre part nécessite une augmentation de l'induction. Les puissances nécessaires sont compatibles avec un 26 1 6032 fonctionnement en continu, et en tout cas ne requièrent pas l'usage de générateurs d'impulsions relativement complexes et coûteux. On peut diminuer les pertes ohmiques dues aux courants circulant dans les flasques de La cavité en modifiant la forme du conducteur intérieur, comme illustré sur la figure 5. Le conducteur intérieur 20 se termine par deux parties tronconiques 33 et 35. L'inductance de la cavité s'en trouve diminuée. Pour conserver la même fréquence, il faut augmenter la capacitance, donc allonger un peu la cavité. Le bénéfice tiré d'une telle disposition en ce qui concerne l'impédanceshunt n'est pas très important (de l'ordre de 10%). Toutefois, cette disposition présente l'avantage de diminuer fortement la puissance maximale dissipée par unité de surface (2 à 4 fois moins qu'avec la cavité coaxiale), ce qui peut être intéressant pour faciliter le refroidissement et diminuer des effets gênants (flèche, tensions internes, etc) dus au gradient thermique dans les parois. D'autre part, les inventeurs ont mis en évidence une réduction considérable des dimensions transversales du faisceau et une moins grande sensibilité aux déréglages en utilisant des aimants de déviation dont les faces, à l'entrée et à la sortie du faisceau, sont tangentes à un dièdre d'angle au sommet voisin de I(1-(1/2n)) si n est Le nombre de traversées de la cavité par le faisceau. REVENDICATIONS 1. Accélérateur d'électrons du type comprenant une source (S) émettant un faisceau d'électrons (Fe), une cavité résonnante, une source haute fréquence (SHF) alimentant la cavité en champ électromagnétique à une fréquence de résonance de la cavité, le faisceau d'électrons (Fe) étant injecté dans la cavité et traversant celle-ci le long d'une ligne de champ électrique (E) du champ résonnant, le faisceau étant ainsi accéléré une première fois, au moins un déflecteur d'électrons (Dl) placé à l'extérieur de la cavité, ce déflecteur recevant le faisceau ayant traversé la cavité, le défléchissant et le réinjectant dans la cavité, le faisceau retraversant la cavité et subissant une deuxième accélération, cet accélérateur étant caractérisé par le fait que la cavité résonnante est une cavité coaxiale (CC) avec un conducteur cylindrique extérieur (10) et un conducteur cylindrique intérieur (20) ayant même axe (A), cette cavité étant excitée à la fréquence du mode fondamental, le faisceau d'électrons étant injecté dans cette cavité dans le plan médian (Pm) perpendiculaire à l'axe (A) et selon un premier diamètre (dl) du conducteur extérieur (10), le déflecteur d'électrons (D1) gardant les électrons dans le plan médian (Pm) et réinjectant le faisceau dans la cavité toujours dans le plan médian (Pm) et selon un deuxième diamètre (d2) du conducteur extérieur (10), le conducteur extérieur (10) et le conducteur intérieur (20) étant percés d'ouvertures (11, 12,... 21, 22) diamétralement opposées et empruntées par le faisceau au cours de ses traversées successives de la cavité. 2. Accélérateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le conducteur central (20) présente des extrémités tronconiques (33, 35). 3. Accélérateur selon l'une au moins des revendications 1 et 2, comportant n traversées de la cavité par le faisceau, caractérisé en ce que l'on utilise des déflecteurs d'électrons à aimants dont les faces, à l'entrée et à la sortie du faisceau, il sont tangentes à un dièdre d'angle au sommet voisin de T(1-(1/2n)).