Brevet FR2615033A1 — publié le 19881110

La présente invention concerne des lasers à élec- trons libres, dans lesquels les électrons sous la forme d'un faisceau linéaire sont périodiquement accélérés ("déplacés en va-et-vient") perpendiculairement au déplacement du fais- ceau, au moyen de champs magnétiques transversaux périodiques. Ils rayonnent des ondes électromagnétiques qui sont amplifiées et rendues cohérentes sous l'effet de réflexions dans un ré- sonateur, comme par exemple l'espace présent entre des mi- roirs réflecteurs. Pour atteindre des fréquences élevées comme celles de l'infrarouge, il faut que la vitesse du faisceau se situe dans la gamme relativiste des mégavolts et que la périodicité du champ soit très faible. Habitueliement des champs magnétiques à inversion périodique étaient produits par un empilage d'aimants perma- nents possédant des polarités alternées. Lorsque la période diminue, la force magnétomotrice est réduite, le flux de fui- te augmente et impose rapidement une limite inférieure à la périodicité disponible lors de la production de champs dans des entrefers de séparation utilisables pour la transmission du faisceau d'électrons. Un but de l'invention est de fournir un dispositif pour déplacer en va-et-vient un faisceau magnétique, possé- dant une très courte période. Un autre but est de fournir un dispositif produi- sant un déplacement en va-et-vient, possédant des dimensions minimales, un poids minimum et une consommation en énergie minimale. Ces objectifs sont atteints grace à la disposition des éléments magnétiques périodiques sous la forme de rangées opposées de pièces polaires ferromagnétiques flottantes. Les pôles dans ces rangées opposées sont décalés d'une demipériode dans la direction du faisceau. Une force magnétomotrice uni- forme intense d'excitation est délivrée par une source exté- rieure, comme par exemple un solénolde. Le flux produit entre les pièces polaires possède une composante transversale inten- se alternant entre les pièces polaires des deux rangées. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence aux dessins annexes, sur lesquels: - la figure 1 représente une coupe d'un système d'aimants périodiques de l'art antérieur, prise dans la direc- tion du faisceau; - la figure 2 représente une coupe semblable à cel- le de la figure 1, pour un autre système d'aimants de l'art antérieur; la figure 3 représente une coupe d'un système d'aimants conforme à l'invention; - la figure 4 représente un dessin d'éléments ma- gnétiques d'un laser à électrons libres conforme à l'inven- tion. - la figure 5 représente une coupe partielle sché- matique de la structure magnétique et optique d'un laser à électrons libres conforme à l'invention; et - la figure 6 représente une coupe schématique d'un autre agencement du laser. On va décrire ci-après des formes de réalisation préférées de l'invention. La figure 1 (art antérieur) représente un système simple d'aimants permanents périodiques (PPM) servant à gui- der un faisceau d'électrons selon un déplacement en va-et- vient. Le faisceau linéaire d'origine 10 passe entre des ran- gées opposées 12,14 d'aimants en forme de barreaux 16 s'éten- dant perpendiculairement au plan de coupe et à la direction du faisceau 10. Des couples opposés d'aimants 16 sont aiman- tés dans la même direction perpendiculaire au faisceau de ma- nière à produire un champ 22 transversalement par rapport au déplacement du faisceau. Des couples espacés successivement dans la direction du faisceau possèdent des polarités alter- nées de sorte que le faisceau subit une accélération d'oscil- lation perpendiculaire au plan du dessin. Par conséquent des ondes électromagnétiques sont émises et polarisées perpendi- culairement au plan du dessin. Leur fréquence interne de pro- duction est égale à la vitesse de déplacement du faisceau di- visée par la périodicité des aimants. Pour une vitesse rela- tiviste, un électron est presqueen synchronisme avec son onde "propre", qui est rayonnée la plupart du temps dans la direc- tion d'avance. La fréquence de l'onde reçue par un observa- teur immobile est décalée par effet Doppler à une valeur très élevée, comme par exemple en infrarouge. Des barres ferroma- gnétiques 18 réunissent des aimants de chaque rangée 12,14 de manière à fournir des trajets de retour du flux à faible reluctance. On voit que, lorsque la période des aimants est réduite, le flux de fuite de shunt entre des aimants voisins axialement devient important par rapport au flux transversal utile 22, ce qui limite la valeur inférieure possible de la période des aimants, et par conséquent la fréquence produite. Le flux de fuite intense requiert une masse importante de ma- tériau magnétique. On s'intéresse actuellement à des lasers utilisables prunvhicilespatialet dans lequel les dimensions et le poids doivent être maintenus à des valeurs très faibles. La figure 2 montre un autre dispositif ancien ana- logue à celui utilisé dans des tubes à ondes progressives, dans lesquels les aimants 16' sont aimantés dans la direc- tion du faisceau et sont séparés par des pièces polaires fer- romagnétiques 24. Le flux de fuite 20' peut être réduit dans une certaine mesure, mais la force magnétomotrice disponible diminue avec la période. Aucun trajet ferromagnétique de re- tour du flux n'est utilisé étant donné gue les champs s'éva- nouissent rapidement en s'écartant de l'empilage magnétique. La figure 3 représente une coupe axiale d'un en- semble d'aimants conformes à l'invention. Dans ce dispositif on n'utilise pas d'aimants permanents courts, qui, sinon, im- poseraient une limite à la force magnétomotrice. Une première rangée de pièces polaires ferromagnétiques 26 s'étend perpen- diculairement au plan du dessin sous la forme de barres, en formant un réseau linéaire interrompu périodiquement dans la direction du faisceau 10". Une seconde rangée 28 forme un ré- seau semblable opposé. Les pièces polaires 28 sont décalées par rapport aux pièces polaires 26, d'unedemi-période dans la direction du faisceau. Une force magnétomotrice unidirection- nelle est appliquée dans la direction du faisceau, comme par exemple par une bobine électromagnétique formant solénoïde 30. Elle est entourée par un blindage ferromagnétique 32 cons- tituant un trajet de retour du flux, ce qui permet de réduire le champ de fuite dans l'environnement etd'obtenir un champ uniforme. Dans l'espace d'interaction, la composante axiale 34 du champ sert à maintenir le faisceau focalisé, mais ne modifie pas la périodicité du dispositif de déplacement en va-et-vient des électrons, produite par les composantes trans- versales 36 du champ, qui alternent entre des pôles de réseaux opposés 26,28. L'intensité de champ utile est limitée unique- ment par la saturation des pièces polaires ferromagnétiques 26,28, mais pas par un auelconque matériau magnétique perma- nent. Lerésultatd'iense est une structure possédant de faibles dimensions, légère et aisée à fabriquer et qui fournit une courte périodicité non fournie par l'art antérieur. La figure 4 représente un dessin des composants magnétiques d'un dispositif servant à déplacer en va-et-vient un faisceau 10"' et conforme à l'invention. Pour la commodité de fabrication et la perfection de l'alignement et de l'espacement, les pièces polaires fer- romagnétiques 26 et 28 sont supportées et séparées par des pièces intercalaires en matériau non magnétique. La figure. 4 représente la partie magnétique d'une structure réalisable. Les pièces polaires 26',28' sont insérées dans des rainures ménagées dans des barres de support amagnétiques, en forme de peignes 38,40, formées par exemple par du cuivre, qui de préférence font partie de l'enceinte à vide du tube. On peut ménager des fentes 42 au moyen d'un usinage mécanique ou par décharges électriques, ce-qui fournit un alignement précis, et l'espacement périodique uniforme nécessaire pour une struc- ture synchrone, ainsi qu'un soutien mécanique et un refroi- dissement. Une autre réalisation inclut un empilage de pièces polaires ferromagnétiques séparées, réalisées par exemple en fer, et d'entretoises amagnétiques séparées et intercalées, réalisées par exemple en cuivre, les éléments empilés étant fixés entre eux par brasage. La figure 5 représente une vue en perspective et en coupe partielle d'une structure laser à électrons libres comportant des mirois optiques de focalisation 42, qui cons- tituent une partie d'un résonateur à foyer commun. Les miroirs 42 possèdent des ouvertures centrales 44 permettant le passa- ge du faisceau d'électrons. Sinon, la structure produisant un mouvement d'ondulation peut être fermée au niveau de ses côtés de manière à former un guide d'ondes 46 véhiculant une onde de champ électrique transversale 48 polarisée perpendi- culairement au plan de coupe partielle du dessin. Les miroirs 42 réfléchissent partiellement cette onde 48 en produisant une réaction électromagnétique qui rend cohérents les dépla- cements des électrons et le rayonnement. Sinon, il est pos- sible d'avoir une configuration à la manière d'un amplifica- teur, ne comportant pas les miroirs en ligne, mais fournis- sant une réaction par l'intermédiaire d'un trajet extérieur, comme par exemple un guide d'ondes ou une série de réflecteurs extérieurs. La figure 6 représente un autre agencement de la- ser, possédant une géométrie coaxiale. Tous les éléments re- présentés en coupe transversale sont des pièces de révolu- tion autour d'un axe 50. La surface émissive 52 de la cathode est une zone d'un tore. Le faisceau d'électrons 54 converge depuis la cathode 52 pour former un faisceau linéaire cylin- drique creux 56 qui circule entre des empilages périodiques de pièces polaires ferromagnétiques de forme annulaire 26", 28". Le faisceau 56 est maintenu à l'état focalisé par le champ magnétique continu axial 58 délivré par un solénoïde (non représenté). L'interaction est exactement la même que dans le cas du réseau rectangulaire de la figure 5, hormis que l'onde électromagnétique produite possède une symétrie à mode électrique à symétrie circulaire. Après être passe entre les empilages d'aimants 26",28" l'onde est rayonnée axia- lement vers l'extérieur à travers une fenêtre diélectrique 58' étanche au vide. Le champ magnétique 58 est fortement ré- duit au-delà des empilages de pièces polaires 26",28" de sor- te que le faisceau d'électrons 50 s'étale et est collecté sur la surface élargie 60 d'une partie de l'enceinte à vide, o la densité de puissance est réduite. La géométrie de la sec- tion de sortie est par conséquent un peu semblable à celle du gyrotron usuel à champ électrique circulaire. L'interaction électromagnétique est naturellement très différente, par le fait que le déplacement périodique des électrons est produit par le champ magnétique périodique dans l'espace, tandis que dans le gyrotron, il résulte de la rotation gyromagnétique dans un champ magnétique uniforme. La fréquence limite du gy- rotron est limitée par l'intensité de champ magnétique dispo- nible. Dans le présent laser, cette limitation n'existe pas, ce qui permet d'obtenir des fréquences d'autant plus élevées. La fréquence de rayonnement peut être réglée par modification de l'énergie (vitesse) du faisceau d'électrons 10. Dans une installation typique, le faisceau serait produit par un accélérateur linéaire d'électrons (non représenté), pour lequel on connaît parfaitement dans la technique des mo- yens pour en modifier l'énergie. Comme d'autres lasers, le résonateur possède une longueur correspondant à un grand nom- bre de longueurs d'onde, de sorte que la fréquence émise est égale à une ou plusieurs lignes très rapprochées les unes des autres. La forme de réalisation décrite ci-dessus est don- nées à titre d'exemple et n'est pas limitative. REVENDICATIONS 1. Dispositif magnétique pour déplacer en va-et- vient un faisceau linéaire d'électrons, caractérisé en ce qu'il comporte: - un passage pour ledit faisceau (10";10"'), un premier ensemble de pièces polaires ferromagnétiques(26;26'; 26"), espacées périodiquement dans la direction de, déplace- ment dudit faisceau et séparées par des espaces amagnétiques et disposées d'un premier côté dudit passage; - un second ensemble de pièces polaires ferroma- gnétiques (28;28';28"), situées sur le côté opposé dudit pas- sage, espacées périodiquement de manière à alterner dans la- dite direction de déplacement du faisceau avec les pièces po- laires dudit.premier ensemble; et - des moyens (30) servant à produire une force ma- gnétomotrice relativement uniforme dans ladite direction de déplacement du faisceau et produisant une composante du champ magnétique transversale audit passage et alternant entre des pièces polaires desdits deux ensembles. 2. Dispositif selon la revendication 1, lesdits moyens (30) servant à produire une force électromagnétique sont constitués par un électroaimant en forme de solénoïde entourant ledit faisceau et lesdites pièces polaires. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que lesdites pièces polaires (26,28;26',28';26",28") sont des barres parallèles définies par des premier et second plans parallèles entre eux et à ladite direction de déplace- ment du faisceau, lesdites barres s'étendant perpendiculaire- ment à cette direction. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractéri- sé en ce que lesdites pièces polaires d'un ensemble sont sé- parées par des barres intercalées réalisées en un matériau amagnétique. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractéri- sé en ce que lesdites pièces polaires et les barres inter- 26150J3 caléesscntr6.niesentre elles de manière à former une tôle éten- due rigide. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractéri- sé en ce que ladite tôle fait partie d'une enceinte à vide entourant ledit dispositif. 7. Dispositif selon la revendication 4, caractéri- sé en ce que les barres de chacun desdits ensembles sont dis- posées dans des encoches ménagées dans une tôle d'un matériau amagnétique s'étendant dans ladite direction de déplacement. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractéri- sé en ce que ladite tôle fait partie de l'enceinte & vide en- tourant ledit dispositif. 9. Dispositif selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que ledit passage est un cylindre creux dont l'axe s'étend dans ladite direction de déplacement du faisceau et dont lesdites pièces polaires (26,28;26',28';26",28") sont des anneaux sensiblement complets coaxiaux audit axe. 10. Dispositif selon la revendication 9, caracté- risé en ce que lesdites pièces polaires de chaque ensemble sont des anneaux intercalésréalisés en un matériau amagnétique. 11. Dispositif selon la revendication 10, caracté- risé en ce que lesdites pièces polaires et lesdits anneaux sont réunis entre eux de manière à former des cylindres éten- dus rigides. 12. Dispositif selon la revendication 11, caracté- risé en ce que celui desdits cylindres, qui est placé à l'ex- térieur, fait partie de l'enceinte à vide dudit tube. 13. Dispositif selon la revendication 9, caracté- risé en ce que lesdites pièces polaires sont disposées dans des encoches radiales ménagées dans des cylindres non métal- liques. 14. Dispositif selon la revendication 13, caracté- risé en ce que celui des cylindres, qui est placé à l'exté- rieur, fait partie de l'enceinte à vide dudit tube. 15. Laser à électrons libres, caractérisé en ce qu'il comporte: - une enceinte à vide; - des moyens pour produire un faisceau linéaire d'électrons (56) à l'intérieur de ladite enceinte; - des moyens (26",28") servant à déplacer en va- et-vient ledit faisceau transversalement par rapport à sa di- rection de propagation et incluant, sur chacun des deux côtés opposés dudit faisceau, un ensemble de pièces polaires ferro- magnétiques flottantes (26";28") espacées périodiquement dans la direction de propagation dudit faisceau, les pièces polai- res d'un ensemble étant décalées dans ladite direction d'une distance égale à la moitié de ladite période par rapport aux- dites pièces polaires de l'autre ensemble, et des moyens pour maintenir une force magnétomotrice unidirectionnelle dans la- dite direction de propagation; - des moyens (60) servant à collecter ledit fais- ceau; - des moyens espacés le long dudit faisceau pour guider les ondes électromagnétiques parallèlement à ladite direction de propagation, en formant un résonateur électroma- gnétique; et - des moyens (58) servant à transmettre l'énergie électromagnétique à partir de ladite enceinte à vide entou- rant ledit faisceau. 16. Laser selon la revendication 15, caractérisé en ce que lesdits moyens servant à produire ladite force ma- gnétomotrice sont constitués par un électro-aimant en forme de solénoide entourant ledit faisceau et lesdites pièces po- laires. 17. Laser selon la revendication 15, caractérisé en ce que lesdites pièces polaires sont des barres parallèles définies par des premier et second plans parallèles entre eux et à ladite direction de déplacement du faisceau, lesdites barres s'étendant perpendiculairement à ladite direction de propagation. 26150S3 18. Laser selon la revendication 17, caractérisé en ce que les barres de chacun desdits ensembles sont dispo- sées dans des encoches ménagées dans une barre réalisée en un matériau amagnétique s'étendant dans ladite direction de propagation. 19. Laser selon la revendication 17, caractérisé en ce que lesdites pièces polaires d'un ensemble sont sépa- rées par des barres intercaléesréalisées en un matériau ama- gnétique. 20. Laser selon la revendication 19, caractérisé en ce que lesdites pièces polaires et les barres intercalées sont réunies ensemble pour former une tôle étendue rigide. 21. Laser selon la revendication 20, caractérisé en ce que ladite tôle fait partie d'une enceinte à vide en- tourant lesdits moyens réalisant un déplacement en va-et-vient dudit faisceau. 22. Laser selon la revendication 19, caractérisé en ce que les barres de chacun desdits ensembles sont dispo- sées dans des encoches ménagées dans une tôle réalisée en un matériau amagnétique s'étendant dans ladite direction de déplacement du faisceau. 23. Laser selon la revendication 22, caractérisé en ce que ladite tôle fait partie de ladite enceinte à vide. 24. Laser selon la revendication 15, caractérisé en ce que ledit faisceau d'électrons (56) se présente sous la forme d'un cylindre creux dont l'axe s'étend dans ladite direction de propagation, et lesdites pièces polaires sont des anneaux sensiblement complets coaxiaux audit axe. 25. Laser selon la revendication 15, caractérisé en ce que lesdites pièces polaires de chacun desdits ensem- bles sont séparées par des anneaux intercalésréalisés en un matériau amagnétique. 26. Laser selon la revendication 25, caractérisé en ce que lesdites pièces polaires et lesdits anneaux amagné- tiques d'un ensemble sont réunis de manière à former un cy- 2615Or 3 il lindre étendu. 27. Laser selon la revendication 26, caractérisé en ce que ledit cylindre à l'extérieur dudit faisceau fait par- tie de ladite enceinte à vide. 28. Laser selon la revendication 25, caractérisé en ce que lesdites pièces polaires sont disposées dans des encoches radiales ménagées dans les parois de cylindres ama- gnétiques. 29. Laser selon la revendication 26, caractérisé en ce que celui des cylindres, qui est à l'extérieur, fait partie de ladite enceinte à vide.