Brevet FR2616031A1 — publié le 19881202

DISPOSITIF DE GROUPEMENT DE PARTICULES CHARGEES DESCRIPTION La présente invention a pour objet un dispositif de groupement de particuLes chargées, notamment d'éiectrons. Elle trouve une application notamment en association avec les accélérateurs d'électrons utilisés pour le bombardement de substances diverses, agroalimentaires, plastiques, ou autres, aux fins de stérilisation, polymérisation, réticulation, etc... Un dispositif de groupement de particules chargées, appelé généralement groupeur, a pour but de réunir en paquets les particules chargées d'un faisceau, en particulier avant injection de ce faisceau dans un~accélérateur. La méthode la plus communément utilisée consiste à imprimer aux diverses particules une modulation de vitesse à l'aide d'un champ électrique. Considérant une particule de référence non perturbée par le champ électrique, Les particules qui la précédent sont freinées et celLes qui la suivent accélérées, de sorte qu'après un certain parcours, toutes ces particules se trouvent regroupées. La figure 1 montre très schématiquement un groupeur. Deux parois 10 et 12 (appartenant par exemple à une cavité résonnant en haute fréquence) sont percées d'ouvertures 14 et 16 traversées par un faisceau de particules F. Un champ électrique haute fréquence E règne entre les parois 10 et 12 dans la zone traversée par le faisceau. Une particule de vitesse initiale Vo traversant le groupeur à l'instant O où le champ électrique s'annule et change de sens, conserve sa vitesse. Une particuLe passant avec un retard flt voit sa vitesse augmenter de tiV. Les équations du mouvement pour ces deux types de particules sont respectivement : z = Vot Z1 = (Vo+V)(t-t), 2 où z1 et z2 sont les distances parcourues. En premiére approximation, si EV est très inférieur à Vo, les particules se regroupent à la distance L=Vo( At/V) et à l'instant T=Vo(ZSt/zLV). La figure 2 montre schématiquement les droites z(t) caractérisant les déplacements des particules. Le paquet de particules se forme à la distance L et à l'instant T. Si V/ t est une constante, l'accroissement de vitesse présente la forme d'une dent de scie (figure 3). En fait, on utilise plutôt une modulation de vitesse qui, en première approximation, est sinuso;dale. Une sinuso;de n'approchant suffisamment une droite que de -300 à +300 environ, on ne groupe convenablement, par ce procédé, qu'un sixième environ du courant injecté. On peut améliorer ce rendement mais au prix de certaines complications (utilisation d'un groupeur fonctionnant à la fréquence fondamentale et d'un groupeur fonctionnant à une fréquence harmonique). De toute façon, il est gênant d'injecter dans un accélérateur des particules non convenablement groupées. La qualité de faisceau se trouve dégradée et- des particules accélérées dans de mauvaises conditions au cours de la phase initiale de l'accéLération peuvent venir frapper et échauffer les parois. C'est pourquoi il est utile de prévoir, dans certains cas, un dispositif appelé hacheur, qui empêche l'injection de particules mal groupées. Un tel hacheur est tout particulièrement utilise dans le cas où L'on emploie un groupeur simple, fonctionnant sur une seule fréquence. Un hacheur consiste généralement en un système de déflexion plus ou moins élaboré, qui provoque un balayage d'une ouverture par le faisceau. Le hacheur peut précéder ou suivre le groupeur. Le but de la présente invention est de pallier les inconvénients des dispositifs groupeurs-hacheurs connus en assurant simultanément la fonction hacheur. A cette fin, l'invention propose un dispositif comprenant, comme dans t'art anterieur rappelé plus haut, deux parois conductrices percées chacune d'une ouverture ayant une forme adaptée à la section droite du faisceau, le faisceau incident ayant un axe moyen dirigé à travers les deux ouvertures, un moyen etant prévu pour établir entre ces parois un champ électrique de haute fréquence.Selon l'invention, le dispositif est caractérisé par le fait - que L'une au moins des parois est inclinée par rapport au plan perpendiculaire à l'axe moyen du faisceau incident, te champ électrique de haute frequence étabti entre les deux parois présentant dès lors une composante perpendiculaire à l'axe moyen du faisceau, - qu'il comprend un diaphragme disposé en aval de l'ensemble des deux parois par rapport au sens de déplacement du faisceau, ce diaphragme étant placé dans l'axe moyen du faisceau incident, - que l'ensemble des deux parois remplit ainsi ta fonction de groupeur et qu'iL constitue également un déflecteur assurant, avec le diaphragme, la fonction de hacheur de faisceau. Selon un premier mode de réalisation les deux parois conductrices ainsi que le diaphragme sont percés d'ouvertures circulaires, le faisceau de particules ayant alors une symétrie de révolution. Selon un autre mode de réalisation, les deux parois conductrices ainsi que Le diaphragme sont percés d'ouvertures en forme de fentes, le faisceau de particules ayant la forme d'une nappe. De toute façon, t'invention apparattra mieux à la Lumière de la description qui suit et des dessins annexés. Sur ces dessins : - les figures 1 à 3, déjà décrites, illustrent la structure et le principe d'un groupeur selon t'art antérieur, - la figure 4 montre schématiquement la structure d'un dispositif conforme à l'invention, - la figure 5 illustre le principe de fonctionnement du dispositif de L'invention, - la figure 6 montre un mode de réalisation dans le cas d'un faisceau de particules en nappe, - la figure 7 illustre un autre mode de réalisation du dispositif de l'invention, - la figure 8 illustre encore un autre mode de réalisation du dispositif de l'invention, - la figure 9 montre une caractéristique de transmission du dispositif de L'invention, - la figure 10 illustre la position d'un faisceau de particules par rapport à l'ouverture du diaphragme, - la figure 11 montre une variante utilisant deux déflecteurs supplémentaires, - la figure 12 montre une variante utilisant une lentille et un déflecteur supplémentaire, - la figure 13 montre une disposition possible pour les différents éléments constituant un dispositif conforme à L'invention, et - la figure 14 montre un exemple de réalisation utilisant une cavité résonnante. Le dispositif représenté sur la figure 4 comprend un groupeur-déflecteur participant également à la fonction hacheur. Le groupeur-déflecteur comprend deux parois conductrices P1 et P2 percées d'ouvertures 01 et 02 centrées sur un axe Oz. Les parois sont inclinées d'un angle i par rapport à un plan normal à l'axe Oz. Entre les parois -P1 et P2 règne un champ électrique E qui fait un angle K avec L'axe Oz. C. champ peut être considéré comme résultant d'une composante longitudinale Ez et d'une composante transversale Ex. Cette composante Ex participe à la fonction hacheur conjointement avec une paroi P3, conductrice ou non, percée d'une ouverture 03, également centrée sur L'axe Oz. Le fonctionnement de ce dispositif est illustré sur la figure 5. Le faisceau Fo constitue un faisceau de référence. Les particules qui le constituent sont passées dans le groupeur à l'instant O où le champ E s'annulait. La vitesse des particules n'a pas éte modifiee et la trajectoire de celles-ci est restée rectiligne. Les particules qui ont traversé le groupeur à un instant sst avant que le champ ne s'annule ont rencontré un champ non nul, et ont été freinées par la composante longitudinale Ez-. Leur vitesse est passée de Vo à Vo- AV. La composante transversale Ex- a en outre dévié la trajectoire de ces particules vers le bas. Le faisceau a donc emprunté une trajectoire F-. Les particules qui sont passées à un instant t après annulation du champ ont subi elles aussi les effets du champ électrique et ont été accélérées par la composante longitudinale Ez . Leur vitesse est passée de Vo à Vo+ dV. La composante transversale Ex a dévié ces particules vers le haut. Le faisceau a alors emprunté une trajectoire F A la distance L, on observe un groupement des particules en trois paquets P, P et P Dans le schéma de La figure 5, on a supposé que l'ouverture 03 du diaphragme P3 était teLLe que les faisceaux F + et F puissent franchir l'écran P3. Les particules ayant traversé le groupeur avant les particules constituant Le faisceau F ou après les particules constituant le faisceau P seront arretées par l'écran P3.Le faisceau se trouve donc haché sur une duree de 2 t et, simultanément, groupé à la distance L. On a donc bien une double fonction de groupeur-hacheur. Les parois P1, P2, P3 peuvent être de formes diverses. Elles ne sont pas nécessairement planes. Elles peuvent être cylindriques. Par ailleurs, elles ne sont pas nécessairement parallèles. Il suffit que l'une d'entre elles soit inclinée par rapport au plan normal au faisceau incident. Quant aux ouvertures û1, 02, 03, elles présentent une forme appropriée au faisceau. Elles sont circulaires pour un faisceau cylindrique, et en forme de fentes pour un faisceau en nappe. Les figures 6 à 8 illustrent quelques exempLes de réalisation. Sur la figure 6, Les deux premières parois sont en forme de portions de cônes, la troisième de portion de cylindre, cônes-et cylindre tous trois coaxiaux, et les ouvertures sont en forme de fentes. Toutes les fentes sont situées dans un même plan. Sur la figure 7, la paroi P1 est déformée pour présenter une forme de S avec une ouverture au centre du S ; la paroi P2 présente une partie inclinée parallèle à la branche centrale du S. Sur la figure 8, la paroi P1 seule est déformée, la paroi P2 étant plane. Les figures 9 et 10 permettent d'illustrer le dimensionnement relatif de la fente et du faisceau. Ces figures correspondent au cas où l'on désire que le faisceau ne soit pas interrompu pour des angles compris entre -20 et +200 par rapport à L'axe et soit totalement intercepté au-delà de +400. La figure 9 montre le facteur de transmission en fonction de l'angle P du faisceau par rapport à l'axe moyen. Il est facile de voir que la largeur de la fente doit être trois fois plus grande que le diamètre du faisceau. La figure 10 montre le faisceau Fo non dévié, les faisceaux F et F tangents aux bords de la fente 03. 4+ Les faisceaux F et F-- sont totalement occultés. On peut observer qu'un faisceau initialement cylindrique ne présente plus la symétrie de révolution au niveau du diaphragme et n'est plus dirigé selon l'axe moyen du faisceau incident. On peut redonner au faisceau sa forme cylindrique et une direction selon l'axe en combinant au dispositif décrit des moyens supplémentaires de déflexion comme illustré sur les figures 11 et 12. Le dispositif représenté sur la figure 11, par exemple, comprend, en plus du groupeur-hacheur P1, P2, P3, deux déflecteurs D1 et D2 alimentés avec des relations de phase appropriées. Le premier, D1, placé au voisinage du diaphragme (avant ou apures) rabat le faisceau vers l'axe ; le deuxième, D2, le remet parallèle à l'axe. Cette disposition est applicable également à un faisceau en nappe. Le dispositif de la figure 12 comprend une première lentille L1, qui rabat le faisceau vers l'axe (en le faisant converger en un foyer M), et un déflecteur D2, qui rend le faisceau parallèle à L'axe, et une seconde lentille L2, qui adapte le faisceau aux organes qui suivent (accélérateur par exemple). Les champs dus aux déflecteurs D2 et/ou D1 peuvent comporter une composante longitudinale, ce qui permet, le cas écheant, de réduire la dispersion en énergie du faisceau, pour conformer celui-ci à l'acceptance de L'accélérateur. Pour mieux décrire l'invention, on va considérer l'exemple d'un dispositif de regroupement d'électrons fonctionnant à une vingtaine de keV, dont l'énergie est modulée sinusoïdalement de 8 keV crête à 100 MHz. Les effets relativistes et de charge d'espace seront négligés. Dans ces conditions, la vitesse Vo est voisine de 108m/s. L'écart relatif de vitesse V/Vo crête est voisin de 1 8 1 #V # - --- # et ---- / #t est peu différent de 4Tfl0 2 20 5 Vo De l'expression donnant la distance L du groupage, on tire L#0,8 m. Le regroupement doit en fait s'effectuer non pas à L'entrée même de L'accélérateur, mais un peu à l'intérieur. Il reste donc une longueur utile de 0,6 m par exempLe. Le diaphragme sera situé par exemple à 40 cm du groupeur-déflecteur. Le rayon du faisceau sera par exemple de 2mm. On peut alors définir Les caractéristiques du hacheur pour un déphasage de 300j le faisceau peut être dévié de 6 mm, ce qui correspond à 1,5.10 radian. Si z t est la durée du passage dans l'intervalle où règne le champ haute fréquence, cette duree étant supposée courte devant la période, on a respectivement, comme variations au premier ordre des vitesses longitudinales Vz et transversales Vx d'une particule de charge q et de masse m LVz = (q/m).Ez.#t #Vx = (qlm).Ex.d Or, pour 300, le champ a la moitié de sa valeur crete. On a alors pVx -2 = 1,5.10 Vo Vz 1 Vz - Vo ----- = - - -- Vo 10 hVx d'où ----- = 0,15 AVz La composante Ex dans l'intervalle du groupeur doit donc valoir, en moyenne 0,15 fois la composante longitudinale, ce qui correspond à une incLinaison assez faible des parois. Dans l'exemple pris, à la sortie de la fente, la section du faisceau devient rectangulaire, trois fois plus longue que large. Pour pallier cet inconvénient, on peut utiliser par exemple une lentille suivie d'un second déftecteur. Pour des raisons de commodité de réalisation, il est souhaitable que le groupeur-déflecteur P1, P2 et les déflecteurs éventuels soient alimentés en phase ou en opposition de phase, de façon à les intégrer dans un meme circuit ou une même cavité. Ceci implique que le temps mis par les électrons pour aller du groupeur aux déflecteurs soit égal à un nombre entier de demipériodes du champ haute fréquence, ce qui correspond dans le cas présent à des parcours qui sont des multiples de 0,5 m, selon une disposition illustrée sur La figure 12. La disposition finale est alors celle de la figure 13 où les dimensions sont en centimètres. Dans la disposition illustrée, le diaphragme précède la lentille L et se trouve à 10 cm de la lentille. Le diaphragme P3 étant deux fois plus près du groupeur P1-P2 que dans l'exempLe précédent, le rapport de la composante longitudinale à la composante transversale du champ dans P1, P2 est égal à 0,3, la Largeur de la fente étant toujours le triple du diamètre du faisceau. La lentille L placée par exemple à 30 cm de P1-P2 formerait l'image du groupeur P1, P2 au milieu de D. A un instant donné, La pente du faisceau en D, donc la composante transversale de vitesse, serait 30/20 = 1,5 fois plus grande que celle que L'on trouve à la sortie de G. La percussion exercée sur un électron par le déflecteur D devrait donc etre 1,5 fois plus grande que celle qui est subie en P1, P2, pour annuler l'effet de cette dernière et obtenir le croisement avec L'axe. Ce déflecteur D est par ailleurs à 50 cm du groupeur P1-P2. La longueur totale nécessaire au regroupement mesurant 80 cm, les écarts de phase sont réduits en D aux 3/8 de leurs valeurs en P1-P2. It en résulte que L'intégrale de la composante transversale du champ sur La longueur ou elle s'exerce doit être 8/3 fois plus grande pour obtenir la même percussion. L'intégrale de la composante transversale du champ dans le déflecteur D devra donc être 1,5x(8/3)=4 fois plus grande que dans le groupeur déflecteur P1-P2. Un exemple de disposition pratique possible est représenté sur la figure 14. Le diaphragme P3 et la lentille L sont situés à l'intérieur d'un tube de glissement 40, relié à une cavité 42 par un pied conducteur 44. L'ensemble résonne à 100 MHz. Dans ces conditions, les champs haute fréquence dans le groupeur P > P2 et le déflecteur D sont synchrones. La cavité est excitée par une boucle 46 reliée à un générateur haute-frequence 48. L'invention qui vient d'être décrite, trouve une application en combinaison avec de nombreux accélérateurs de particules, mais elle trouve une application privilégiée en combinaison avec les accélérateurs d'électrons utilisant une cavité coaxiale, tels que ceux qui font l'objet de la demande de brevet français nOEN 8707378 intitulée "Accélérateur d'électrons à cavité coaxiale" et de la demande de brevet français nO EN 8707379 intitulée "Accélérateur d'électrons à nappe". REVENDICATIONS 1. Dispositif de groupement de particules chargées comprenant deux parois conductrices (P1, P2) percées chacune d'une ouverture (01, 02) ayant une forme adaptée à la section droite du faisceau, le faisceau incident ayant un axe moyen (Oz) dirigé à travers les deux ouvertures, un moyen étant prévu pour établir entre ces parois un champ électrique de haute fréquence, ce dispositif étant caractérisé par le fait - que L'une au moins des parois (PI, P2) est incLinée par rapport au plan perpendiculaire à L'axe moyen du faisceau incident, le champ électrique tE) de haute fréquence établi entre les deux parois présentant des Lors une composante (Ex) perpendiculaire à L'axe moyen du faisceau, - qu'il. comprend un diaphragme (P3, 03) disposé en aval de l'ensemble des deux parois par rapport au sens de déplacement du faisceau, ce diaphragme étant placé dans l'axe moyen du faisceau incident, - que l'ensemble des deux parois (PI, PZ) rempLit ainsi la fonction de groupeur et qu'il constitue également un déflecteur assurant, avec le diaphragme (P3) La fonction de hacheur de faisceau. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé-par le fait que deux parois conductrices (P1, P2) ainsi que le diaphragme (P3) sont percés d'ouvertures (01, 02, 03) circulaires, le faisceau de particules ayant une symétrie de révolution. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par Le fait que deux parois conductrices (P1, P2) ainsi que le diaphragme (P3) sont percés d'ouvertures (01, 02, 03) en forme de fentes circulaires, le faisceau de particules ayant La forme d'une nappe. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les deux parois (P1, P2) sont des portions de cônes et le diaphragme (P3) une portion de cylindre, lesdits cônes et ledit cylindre étant coaxiaux. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre des moyens de deflexion (D1, D2, L1, L2) de l'ensemble du faisceau.