Brevet FR2619275A1 — publié le 19890210

ACCELERATEUR DE PARTICULES A ONDES PROGBSSIVES COMPORTANT UN DISPOSITIF DE R;ItCIRCULATION D'ENERGIE. L'invention concerne principalement un accélérateur de particules A ondes progressives comportant un dispositif de recirculation d'énergie. Un accélérateur de particules a ondes progressives permet, par couplage d'une onde électromagnétique de fréquence élevée avec un faisceau de particules chargées électriquement, d'accélérer ledit faisceau de particules. Les particules sont par exemple des électrons, ou positions, des ions. Un accélérateur linéaire comporte une source d'énergie hyperfréquence comme par exemple un tube électronique ou un ensemble de modules transistorisés. La source est connectée å un ensemble de cavités résonnantes susceptible de recevoir aussi des faisceaux de particules accélérées. En présence du faisceau de particules dans les cavités résonnantes, l'énergie disponible fournie par la source est transférée aux particules du faisceau. En l'absence du faisceau de particules cette énergie est perdue. Ainsi, ont été imaginés des dispositifs de recirculation de l'énergie hyperfréquence fonctionnant surtout en l'absence d'un faisceau intense de particules dans les cavités résonnantes. Un tel dispositif prélève énergie hyperfréquence à la sortie de la dernière cavité résonnante et la réinjecte à l'entrée de la première cavité. Ce dispositif donnait entière satisfaction avec des accélérateurs linéaires peu performants dans lesquels les cavités résonnantes induisaient des pertes importantes. L'amélloratlon des performances des accélérateurs linéaires et notamment la diminution de pertes en hyperfréquence des cavités résonnantes pose un problème inattendu. Cela est particulièrement vrai pour des accélérateurs comportant des cavités résonnantes comprenant des éléments supraconducteurs induisant peu de pertes en hyperfréquence. En l'absence du faisceau de particules, dans les cavités résonnantes, dans la mesure où la source d'énergie hyperfréquence débite dans ces cavités, si les atténuations totales de l'énergie hyperfréquence dans les cavités résonnantes et dans un dispositif de recirculation sont très faibles, énergie présente dans les cavités résonnantes croit beaucoup avec le temps. Ainsi, pendant un arrêt prévisible ou non du faisceau il est très probable que l'on aura plus d'énergie dans les cavités résonnantes qu'elles ne peuvent en supporter. Il s'ensuit des dommages. L'accélérateur de particules selon la présente invention limite la quantité d'énergie hyperfréquence réinjectée dans les cavités résonnantes. L'invention a principalement pour objet un accélérateur de particules linéaire, comportant une source d'énergie hyperfréquence connectée à une entrée d'énergie hyperfréquence d'au moins une cavité résonnante, une source de particules susceptibles d'être accélérées dans les cavités résonnantes, une sortie d'énergie hyperfréquence non absorbée par les particules, connectée à l'entrée des cavités résonnantes, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre, entre la sortie d'énergie hyperfréquence, et l'entrée d'énergie hyperfréquence un dispositif de limitation. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description ci-après et des figures annexées parmi lesquelles - La figure 1 est un schéma d'un premier exemple de réalisation d'un accélérateur selon la présente invention - La figure 2 est un deuxième exemple dé réallsatlon d'un accélérateur selon la présente invention - La figure 3 est un schéma d'un premier mode de réalisation d'un dispositif de limitation mis en oeuvre dans un accélérateur selon la présente invention - La figure 4 est un schéma d'un deuxième exemple de réalisation d'un dispositif de limitation mis en oeuvre à un accélérateur selon la présente invention - La figure 5 est un schéma d'un troisième exemple de réalisation d'un dispositif de limitation mis en oeuvre à un dispositif de la présente invention - La figure 6 est un schéma d'un quatrième exemple de réalisation d'un dispositif de limitation mis en oeuvre dans les accélérateurs selon la présente invention - La figure 7 est un schéma d'un troisième exemple de -réalisation d'un accélérateur selon la présente invention - La figure 8 est un schéma d'un quatrième exemple de réalisation d'un accélérateur selon la présente invention. - La figure 9 est un schéma d'un exemple de réalisation d'un dispositif susceptible d'être mis en oeuvre dans la présente invention. Sur la figure 1, on peut voir un accélérateur de particules selon la. présente invention. L'accélérateur comporte une source d'énergie hyperfréquence connectée par une entrée 8 à au moins une cavité résonnante 10. La sortie 7 de la dernière cavité résonnante 10 est connectée à travers le circuit 93 de recirculation d'énergie hyperfréquence à un dispositif de limitation d'énergie 4. La sortie du dispositif de limitation d'énergie hyperfréquence 4 est connectée à travers le dispositif 93 de recirculation d'énergie à l'entrée 8 de la première cavité résonnante 10. D'autre part, l'accélérateur linéaire comporte une source 3 de particules à accélérer. Les particules à accélérer sortant de la source 3 entrent par une ouverture 11 de la première cavité résonnante 10 et sortent, accélérées, par une ouverture 12, de la dernière cavité résonnante 10. La source 3 de particules à accélérer est dans le cas d'un accélérateurs d'électrons, par exemple un canon à électrons. Sur la figure 1 le canon à électrons 3 schématisé comprend une cathode 5 et une anode 6. La source 2 est une source d'énergie hyperfréquence. On peut par exemple utiliser des fréquences comprises entre 100 MHz à 100 GHz. Selon les fréquences, et puissances désirées, la source 2 comporte soit un tube à vide, par exemple du type Klystron, soit un ensemble de modules à transistors, par exemple du type à arséniure de gallium. Le dispositif de limitation de puissance 4 comporte, par exemple, une charge résistive. Quatre exemples de dispositif de limitation 4 seront illustrés sur les figures 3 à 8. Sur la figure 2, on peut voir un second exemple de réalisation d'un accélérateur linéaire selon la présente invention. L'accélérateur de la figure 2 comporte une enceinte cryogénique 94 incluant l'ensemble 1 de cavités résonnantes 10. L'enceinte cryogénique 94 permet l'utilisation de cavités résonnantes supraconductrices. L'utilisation de cavités résonnantes supraconductrices permet de diminuer la taille, d'augmenter les performances et de diminuer la consommation électrique de l'accélérateur. La diminution de la consommation électrique est notamment provoquée par la réduction des pertes dans la cavité résonnante 10. Toutefois le problème découvert, à savoir, la possibilité d'augmentation avec le temps de l'énergie contenue dans les cavités résonnantes 10 en l'absence de faisceaux de particules à accélérer est particulièrement grave dans le cas d'accélérateurs présentant de très faibles pertes comme les accélérateurs supraconducteurs. De plus, dans la mesure où l'on veut limiter la consommation d'énergie nécessaire au refroidissement de matériaux supraconducteurs il est avantageux d'employer des matériaux qui restent supraconducteurs à des températures relativement élevées par exemple 50 K, 70 K ou 150 K. Il est bien entendu que le matériau doit rester supraconducteur à haute fréquence et pas seulement en courant continu. Or de tels matériaux par exemple à base de l'oxyde de cuivre sont relativement fragiles et donc nécessitent une protection contre les tensions. Sur la figure 2, on a représenté, de plus, au niveau du canon à électrons 3 une électrode supplémentaire 22 appelée Wehnelt, et en sortie derrière l'ouverture 12 une optique de réflexion. 21 monobloc connues en soi. Sur la figure -3, on peut voir un exemple de réalisation particulièrement simple d'un dispositif de limitation de l'énergie 4 des figures 1 et 2. Le dispositif de la figure 3 comporte une charge résistive 40. Dans un premier exemple de réalisation du dispositif selon la présente invention la valeur de la résistance de la charge résistive 40 est telle, à la fréquence de fonctionnement, que l'amortissement total de l'énergie qui parcoure l'ensemble de cavités résonnantes et la charge résistive 40, en absence du faisceau de particules, est sensiblement égale à 3 dB. Ainsi, à chaque passage à travers le circuit de recirculation 93 des figures 1 et 2 l'énergie perd la moitié de sa puissance. La suite etc converge et est égale à 2 P où P est la puissance fournie par la source 2. Ainsi, la croissance de l'énergie présente dans les cavités résonnantes 10 est limitée. Dans une seconde variante de réalisation on utilise une charge résistive 40 de valeur de résistance plus faible permettant une meilleure récupération de l'énergie sans toutefois permettre un accroissement trop important de l'énergie présente dans la cavité 10 risquant la destruction de celle-ci. On notera que pour les valeurs de résistance très faibles cette charge résistive peut être limitée au circuit de recirculation non supraconducteur lui-même. Sur la figure 4, on peut voir, un dispositif de limitation commandable. Le dispositif de limitation de la figure 4 comporte en parallèle un interrupteur 41 et une charge résistive 40. Quand l'interrupteur 41 est fermé il court-circuite la résistance 40 et permet de fournir toute l'énergie non couplée au faisceau de particules à l'entrée 8 de la première cavité résonnante 10. Lorsque l'interrupteur 41 est ouvert, l'énergie hyperfréquence passe par la charge résistive 40 et est de ce fait atténuée. Dans une première variante de réalisation l'interrupteur 41 est un interrupteur mécanique ou électromécanique commandable. Avantageusement, l'interrupteur 41 comporte un commutateur électronique, par exemple comportant des diodes PIN. Sur la figure 5, on peut voir un exemple de réalisation du dispositif de limitation de puissance comportant deux branches placées en parallèle. Une première branche correspond à un court-circuit. La seconde branche comporte une charge résistive 40. En sortie, un interrupteur 41 permet de sélectionner la première ou la seconde branche. Sur la figure 6, on peut voir un dispositif de limitation comportant un atténuateur commandable 42. L'atténuateur commandable correspond à un signal de commande 43. Ce signal de commande 43 est selon le type d'atténuateur hyperfréquence utilisé soit un signal de commande analogique soit numérique. De tels atténuateurs sont courants dans la technologie de radars. Des dispositifs recirculation comportant des coupleurs et des déphaseurs ont été décrits dans les Brevets Français respectivement 86 00323 et 87 07416. Ce dernier n'a pas encore été publié. Dans les Brevets précités ces dispositifs étaient destinés à aiguiller toute l'énergie vers l'entrée 8 de la première cavité résonnante 10. Dans le dispositif selon la présente invention ces dispositifs peuvent permettre soit d'envoyer toute l'énergie disponible à la sortie 7 de la dernière cavité résonnante 10 vers l'entrée 8 de la première cavité résonnante 10, par exemple en présence du faisceau de particules à accélérer, ou de n'envoyer que partiellement ou pas du tout l'énergie récupérée à la sortie 7 vers l'entrée 8. Avantageusement, de tels dispositifs envoient la moitié de l'énergie disponible à la sortie 7 sur l'entrée 8 l'autre moitié étant absorbée sur une charge présente sur un des coupleurs, en absence du faisceau de particules à accélérer, et la totalité de l'énergie disponible à la sortie sur l'entrée 8 en présence du faisceau de particules. Dans une variante de réalisation un dispositif selon la présente invention comporte dans les cavités résonnantes 10 un dispositif de mesure de la quantité d'énergie présente. Dès qu'un seuil prédéterminé d'énergie est atteint une pâtie de plus en plus importante d'énergie hyperfréquence n'est plus réinjectée par le dispositif de limitation 4 dans l'entrée 8 de la première cavité résonnante 10. Sur la figure 7, on peut voir un exemple de réalisation particulièrement performant du dispositif selon la présente invention. L'accélérateur de la figure 7 comporte, en plus des dispositifs de la figure 1 un dispositif de contrôle 98. Le dispositif de contrôle 98 reçoit des informations sur la présence du faisceau de particules à accélérer et/ou sur le niveau du champ de la cavité résonnante 10. L'information sur la présence ou l'absence du faisceau est fournie, par exemple, par un dispositif de contrôle de la source des particules à accélérer, non représenté sur la figure 9, ou par une sonde 97 détectant la présence des particules ou d'une tension de commande sur la source desdites particules. Le dispositif de contrôle 98 est connecté à un dispositif de limitation 4. Avantageusement le dispositif de limitation 4 est du type de celui représenté sur la figure 8 Dans une variation de réalisation du dispositif selon la présente invention le dispositif de contrôle 98 reçoit un signal de commande 99 et émet un signal de commande vers la source de rayonnement hyperfréquence 2 permettant de réduire la puissance fournie. Dans un premier mode de fonctionnement du dispositif selon la présente invention - en présence du faisceau de particules dans les cavités résonnantes 10 on rélnjecte la totalité de l'énergie hyperfréquence présente à la sortie 7 par l'intermédiaire du dispositif de recirculation 93 et du dispositif de limitation 4 - en absence du faisceau de particules dans la cavité résonnante 10 on limite la réinjection de l'énergie hyperfréquence présente å la sortie 7 å un seuil prédéterminé égal par exemple à 0,3 dB 0,5 dB ou à 3 dB. Dans un second mode de fonctionnement d'un accélérateur selon la présente invention on réinfecte en permanence, par l'intermédiaire du circuit de recirculation 93 et du dispositif de limitation 4 toute l'énergie hyperfréquence disponible tant que l'énergie présente dans la cavité résonnante 10 n'a pas atteint un seuil prédéterminé. Le seuil correspond à une limite au-delà de laquelle il serait possible que les cavités résonnantes 10 soient endommagées. L'amplitude de l'énergie hyperfréquence présente dans la cavité résonnante 10 est mesurée par la sonde 97. Le dispositif de contrôle 98 effectue des réglages de déphasage du dispositif de limitation 4 permettant le partage de l'énergie entre la -charge 290 de la figure 8 et l'entrée 8 des cavités résonnantes 10. Un exemple de réalisation du dispositif de contrôle 98 comporte un ordinateur équipé de moyens d'interface approprié pour l'acquisition des données en provenance des sondes 97 et pour le contrôle de la source de rayonnement hyperfréquence 2 et/ou du dispositif de limitation 4. Avantageusement, le dispositif de contrôle 98 permet la gestion permanente en temps réel de l'accélératrur selon la présente invention. Les diverses consignes du type de fonctionnement désiré ou des divers seuils å respecter sont introduites par l'intermédiaire de la commande 99. La charge 240, représentée sur la figure 7 doit être adaptée aux puissances crête et å la puissance moyenne susceptibles d'être absorbées durant le fonctionnement de l'accélérateur. Sur la figure 8, on peut voir un exemple de réalisation d'accélérateur selon la présente invention comportant une source d'électrons froid. Les accélérateurs linéaires supraconducteurs, permettent un fonctionnement en régime continu. Ainsi, pour bien des applications, il est possible de ne générer qu'une faible intensité électronique pour obtenir la puissance moyenne désirée. Dans un tel cas il est possible d'utiliser des sources d'électrons comportant une cathode froide. Ceci permet, dans le cas d'accélérateurs supraconducteurs notamment de placer -la source d'électrons à l'intérieur de l'enceinte cryogénique, et ainsi de rapprocher la sortie de la source d'électrons de l'entrée des cavités résonnantes. On améliore ainsi les performances de l'accélérateur. En effet, les particules à accélérer ne subissent pas le même champ dans l'axe et en s'écartant de cet axe. Pour conserver un faisceau de particules homogènes. Selon la présente invention il faut qu'à l'entrée 11 de la première cavité résonnante 10 le faisceau ait le plus petit diamètre possible. Or, un faisceau de particules chargées à tendance à diverger. Ainsi, on obtient un faisceau plus homogène en rapprochant le canon 3 à électrons de l'entrée 11 de la première cavité résonnante 10. Or il n'est pas possible de placer un canon à électrons chaud à l'intérieur de l'enceinte cryogénique 55. Il est à noter qu'il existe une synergie entre le canon 3 à électrons à cathode froide et l'accélérateur d'électrons à cathode froide - les performances de l'accélérateur permettent d'utiliser sans inconvénient un tel canon - le canon ne perturbe pas le bon fonctionnement de l'enceinte cryogénique et en plus améliore les performances de l'accélérateur. Dans l'exemple de la figure 8, le canon 3 à électrons se trouve à l'intérieur de l'enceinte cryogénique 55 refroidie par exemple avec de l'azote ou avec de l'hélium liquide (selon la technologie utilisée). Ainsi, on peut librement choisir la distance entre la sortie du canon 3 à électrons et l'entrée 11 de la première cavité résonnante 10. Avantageusement, la distance entre le canon 3 à électrons et l'entrée de la première cavité résonnante 10 est telle que le faisceau d'électrons présente sur cette entrée 11 la géométrie désirée. Par exemple il présente le plus faible diamètre. On peut aussi introduire la déviation 21 de la figure 2 en bloc dans l'enceinte cryogénique et l'on a ainsi un ensemble complet (source - accélérateur - optique-coupleurs) interne à l'enceinte, comme représenté figure 8. L'utilisation d'une optique monobloc 21, supraconductrice permet d'augmenter le champ magnétique et donc la courbure de la trajectoire des particules accélérées. Ainsi le trajet dans ltoptique monobloc est plus court. Il en résulte que les différences de trajet dûes à la dispersion spatiale et à la différence des énergies des particules accélérées se trouvent réduites. On obtient ainsi à la sortie de l'optique monobloc 21 supraconductrice un faisceau plus homogène de particules. Ainsi il est possible de réaliser avec des optiques monobloc 21 supraconductrices renvoyant des particules dans la direction d'incidence des particules et réaliser des accélérateurs allez retour dans lesquels les particules empruntent plusieurs fois les cavités résonnantes 10. L'accélération totale que subissent les particules est égale à la somme des accélérations subies lors de chaque tfljet. Sur la figure 9, on peut voir deux exemples de réalisation d'un joint susceptible d'être mis en oeuvre dans le dispositif selon la présente invention. Le joint permet d'isoler thermiquement et hermétiquement l'enceinte cryogénique. Il peut être mis en oeuvre par exemple au niveau des entrées 8 et sortie 7 d'énergie hyperfréquence des cavités résonnantes 10 d'un accélérateur de particules. La limite entre l'enceinte cryogénique est symbolisée par la droite 56. Le joint selon l'invention comporte deux guides d'ondes 50 mis bout à bout. Les guides 50 ont par exemple une section ronde, carrée, rectangulaire ou elliptique. L'isolation entre l'enceinte cryogénique et le monde extérieur est assuré par une pièce 51 en matériau diélectrique. Avantageusement, la pièce 51 est réalisée avec un matériau diélectrique à faibles pertes comme par exemple le PTFE pour les guides d'ondes de section importante, la pièce 51 est armée avec un matériau ne perturbant que faiblement la propagation d'ondes électromagnétiques. Avantageusement, la pièce 51 est placée au niveau d'un noeud du champ magnétique B et donc à un ventre du champ électrique E. Cela est symbolisé par la courbe 53 qui représente l'amplitude A 54 du champ électrique E en fonction de l'axe de propagation X 52. Ainsi, nous n'avons que de faibles courants et donc de faibles pertes au niveau de la pièce 51. De plus, la pièce 51 assure l'isolation thermique de la cavité cryogénique. Avantageusement, la pièce 51 assure un scellement hermétique des conduits 60 constitué par les guides d'ondes 50. Dans les cavités résonnantes il doit y avoir un vide poussé. Sur la figure 9a, les guides d'ondes 50 sont simplement mis en bout à bout et fixés par un moyen de fixation non représenté. Sur la figure 9b, les guides d'ondes comportent au niveau de la pièce 51 un épaulement 59. La réalisation de ce type d'épaulement est classique pour l'assemblage des guides d'ondes. Avantageusement, la pièce 51 remplit l'espace se trouvant entre les épaulements 59 se trouvant en vis-à-vis. L'invention s'applique notamment à la réalisation d'accélérateurs de particules. L'invention s'applique principalement à la réalisation d 'accélérateurs de particules linéaires, supraconducteurs pour application médicale, pour irradiations alimentaires, pour la réalisation d'injecteurs de particules dans les accélérateurs en moyenne haute et très haute énergie. 1?EVENDICATIONS 1. Accélérateur de particules linéaire, comportant une source (2) d'énergie hyperfréquence connectée à une entrée (8) d'énergie hyperfréquence d'au moins une cavité résonnante (10), une source (3) de particules susceptibles d'être accélérées dans les cavités résonnantes (10), une sortie (7) d'énergie hyperfréquence non absorbée par les particules, connectée à ltentrée (8) des cavités résonnantes (10), caractérisé par le fait qu'il comporte en outre entre la sortie (7) d'énergie hyperfréquence et l'entrée (8) d'énergie hyperfréquence un dispositif (4,40,42) de limitation. 2. Accélérateur linéaire selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'en l'absence de particules à accélérer, l'atténuation totale de l'énergie hyperfréquence par les cavités résonnantes (10) et par le dispositif de limitation (4,40,42) est sensiblement égale à 0,3 dB en puissance. 3. Accélérateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les cavités résonnantes (10) comportent des éléments supraconducteurs. 4. Accélérateur selon la revendication 1,2 ou 3, caractérisé par le fait que la source (3) de particules est un canon à électrons. 5. Accélérateur selon la revendication 1,2,3 ou 4, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens (41) de commutation susceptibles, sur commande, de fermer un circuit de faible résistance pour l'énergie hyperfréquence entre la sortie (7) et l'entrée (8). 6. Accélérateur selon la revendication 1,2,3 ou 4, caractérisé par le fait que le dispositif (4,40,42) de limitation comporte un atténuateur commandable. 7. Accélérateur selon la revendication 1,2,3,4,5 ou 6, caractérisé par le fait que ledit accélérateur est un accélérateur médical. 8. Accélérateur selon la revendication 1,2,3,4,5 ou 6 caractérisé par le fait que ledit accélérateur est un accélérateur d'irradiation. 9. Accélérateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte un dispositif de contrôle (98) susceptible de contrôle la quantité d'énergie réinfectée à l'entrée (8) de la première cavité résonnante et la quantité d'énergie absorbée par une charge (240). 10. Accélérateur selon la revendication 9, caractérisé par le fait qu'il comporte une sonde (97) susceptible de mesurer l'énergie présente dans les cavités résonnantes (10). il. Accélérateur selon la revendication 4,5,6,7,8,9 ou 10, caractérisé par le fait que le canon à électrons (3) comporte une cathode froide à pointe. 12. Accélérateur selon la revendication 11, caractérisé par le fait que le canon à électrons (3) est situé à l'intérieur de la même enceinte cryogénique (55). 13. Accélérateur selon la revendication 12, caractérisé par le fait que la déviation (21) est située à l'intérieur de la même enceinte cryogénique (55). 14. Accélérateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins un joint comportant deux guides d'ondes (50) mis bout à bout séparé par une pièce diélectrique (51). 15. Accélérateur selon la revendication 14, caractérisé par le fait que les guides d'ondes ont des épaulements (59) situés en vis-à-vis. 16. Accélérateur selon la revendication 14 ou 15, caractérisé par le fait que la pièce diélectrique est réalisée en PTFE.