Brevet FR2621439A1 — publié le 19890407

CAVITE RESONNANTE, DISPOSITIF DE COUPLAGE, ACCRATEUR DE PARTICULES ET TUBE A ONDES PROGRESSIVES COMPORTANT DE TELLES CAVITES. L'invention concerne principalement une cavité résonnante, dispositif de couplage, accélérateur de particules et tube à ondes progressives comportant de telles cavités. I1 est connu de réaliser des cavités résonnantes susceptibles de coupler un champ électromagnétique avec des particules chargées et notamment les cavités résonnantes supraconductrices. De même, il est connu de réaliser des accélérateurs de particules comportant des cavités résonnantes supraconductrices. De tels accélérateurs ont été mis au point avec des matériaux supraconducteurs à de très basses températures voisines de 4 K. Les matériaux susceptibles de devenir supraconducteurs, et notamment ceux susceptibles de le devenir a haute température, par exemple à 90 K sont coûteux et fragiles. Cela est particulièrement vrai pour les matériaux supraconducteurs en hyperfréquence. L'originalité du dispositif selon la présente invention réside dans la fabrication d'une cavité résonnante comportant des zones supraconductrices et des zones à conduction ohmique. Le matériel supraconducteur procure une diminution de la consommation électrique et/ou une augmentation des performances des cavités résonnantes. Le remplacement de matériaux supraconducteurs, par, par exemple un métal permet d'une part de réduire le coût de la cavité en diminuant la quantité des matériaux supraconducteurs ayant une géométrie complexe, et d'autre part, d'augmenter la résistance aux agressions de la cavité dans des endroits où elle n'est pas supraconductrice.Ces parties métalliques sont par exemple susceptibles d'être soumises à des champs électriques intenses et/ou de recevoir des particules accélérées par un accélérateur de particules qui n?ont pas été parfaitement focalisées. I1 est avantageux de placer les matériaux à conduction ohmique dans des zones susceptibles de véhiculer de faibles courants électriques. En effet, les zones à conduction ohmique présentent le désavantage, d'une part d'absorber de l'énergie électrique, et donc d'augmenter la consommation ; et d'autre part, de transformer l'énergie électrique en chaleur par effet Joule. De cette façon, les zones à conduction ohmique ont tendance à réchauffer l'enceinte cryogénique dans laquelle sont placées les cavités résonnantes, avec le risque du changement de phase de la supraconduction à la conduction ohmique des éléments supraconducteurs.Donc, avantageusement, les matériaux supraconducteurs sont disposés dans des zones destinées à générer des forts champs magnétiques, tandis que, les conducteurs ohmiques sont disposés dans les zones présentant des forts champs électriques. Par exemple, la cavité résonnante sera recouverte de matériaux supraconducteurs à l'exception du bord de diaphragme couplant la succession des cavités résonnantes. Cet endroit est particulièrement avantageux, dans la mesure où il risque de recevoir d'éventuelles particules défocalisées, et/ou il présente un champ électrique fort et un champ magnétique faible. La cavité résonnante selon la présente invention, présente des performances qui ne sont que faiblement dégradées par rapport à des cavités résonnantes entièrement supraconductrices, tout en étant d'une fiabilité supérieure et d'un coût de revient inférieur. De plus, la conduction des zones à conduction ohmique est améliorée par le fait qu'ils sont placés dans l'enceinte cryogénique, par exemple en utilisant du cuivre ou de l'argent à une température égale à 90 K. L'invention a principalement pour objet les cavités résonnantes et dispositif incluant de telles cavités tels que décrits dans les revendications. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description ci-après, et des figures, données comme des exemples non limitatifs, parmi lesquelles - la figure 1 est une coupe dans un premier exemple de réalisation du dispositif selon la présente invention - la figure 2 est une coupe d'un deuxième exemple de réalisation du dispositif selon la présente invention - la figure 3 est une coupe d'un premier exemple de réalisation d'un détail du dispositif selon la présente invention - la figure 4 est une coupe d'un second exemple de réalisation d'un détail du dispositif selon la présente invention - la figure 5 est une coupe d'un troisième exemple de réalisation d'un détail du dispositif selon la présente invention - la figure 6 est une coupe d'un troisième exemple de réalisation du dispositif selon la présente invention - la figure 7 est un schéma en coupe des dispositifs de la figure 6 - la figure 8 est un schéma d'un accélérateur de particules selon la présente invention - la figure 9 est un schéma d'un exemple de réalisation d'un tube à ondes progressives (TOP) selon la présente invention Sur les figures 1 à 9 on a utilisé les mêmes références pour désigner les mêmes éléments. Sur la figure 1, on peut voir un exemple de réalisation des cavités résonnantes 10 selon la présente invention Les cavités résonnantes 10 sont réalisées par exemple par usinage dans des pièces 30 métalliques, par exemple en cuivre. Ce métal présente une excellente conduction électrique et thermique, ainsi qu'un bon accrochage pour des matériaux supraconducteurs 31. I1 est possible d'utiliser des structure hétérogenes comportant des dépôts d'un métal sur un support constitué par un autre métal. Par exemple, la pièce métallique 30 est réalisée en cuivre avec des dépôts d'argent au niveau des diaphragmes 32 et/ou en-dessous des zones supraconductrices 31. Les cavités résonnantes 10 ont une forme de révolution autour de l'axe 340 des cavités 10. Les cavités présentent un creux 33 séparé par deux diaphragmes 32. Le diaphragme 32 se comporte comme des charges inductives permettant un bon couplage, dans tous les endroits de l'espace, entre un champ électromagnétique haute fréquence, et un faisceau de particules. Le fond et une partie du bord du creux 33 comporte la zone supraconductrice 31. Ces zones correspondent aux endroits où le champ électrique est minimal, et où le champ magnétique est maximal, et où, par suite, le courant électrique est maximal. I1 est donc primordial pour le bon fonctionnement du dispositif comportant les cavités 10 selon la présente invention, que ces endroits où les courants sont importants soit supraconducteurs. Ainsi, il est possible de limiter la consommation électrique, c'est-à-dire la puissance du champ électromagnétique hyperfréquence à fournir, ainsi que l'échauffement des bords des cavités. Les cavités résonnantes 10 sont susceptibles d'être traversées par un faisceau de particules empruntant l'axe 34 des cavités 10. Toutefois, certaines particules risquent de s'écarter de l'axe 34. Des qu'une particule s'écarte de l'axe 34 son accélération n'est plus uniforme. De telles particules risquent de sortir du faisceau et de percuter un diaphragme 32. Ainsi, si ces diaphragmes étaient réalisés dans un matériau supraconducteur ils risqueraient d'être endommagés ou détruits par les particules entrant en leur contact. Un tel incident risque d'avoir des conséquences catastrophiques. Au moment où, l'énergie dissipée par effet Joule ne peut plus être évacuée, l'ensemble des cavités résonnantes, par suite de l'élévation de température, subit la transition supraconducteur-conducteur ohmique. Dans un tel cas, l'énergie présente dans les cavités 10 risque de se décharger instantanément en provoquant la destruction totale du dispositif. Le problème rencontré, est résolu dans les cavités résonnantes 10 selon la présente invention. Dans de telles cavités les extrémités de diaphragme 32 ne sont pas supraconductrices. Elles sont par exemple réalisées dans un métal ayant une bonne conduction ohmique. Ainsi, leur résistance électrique ne risque pas d'être notablement élevée par le bombardement, des particules sortant du faisceau. I1 faut remarquer que le courant est faible au niveau du diaphragme 32. De plus, dès la conception des cavités résonnantes 10 on a prévu l'évacuation de la chaleur provoquée par effet Joule au niveau du diaphragme 32. Ainsi, cette énergie ne risque pas d'entraîner une transition supraconducteur-conducteur ohmique des zones 31 recouvrant les fonds de cavités 10 et qui, elles, véhiculent les courants électriques très importants. Sur la figure 2, on peut voir une variante de réalisation des cavités selon la présente invention comportant des canaux 34 de refroidissement des diaphragmes 32 des cavités résonnantes 10. Par exemple, dans le cas d'utilisations d'enceintes cryogéniques refroidies par un gaz liquéfié comme par exemple l'azote, le fluide de refroidissement est amené par les canaux de refroidissement 34 à proximité immédiate des diaphragmes 32. Sur la figure 2 on a représenté quatre exemples de réalisation de canaux de refroidissement 34 présentant diverses extrémités. Une première extrémité 35 du canal de refroidissement 34 présente un simple plat à la périphérie externe du diaphragme 32. Un tel dispositif présente une grande facilité de réalisation, par exemple par usinage. Dans un deuxième exemple de réalisation, l'épaisseur de la paroi de la cavité résonnante 10 est constante. Ainsi le fluide de refroidissement est amené à proximité de la zone 32 à conduction ohmique. Dans un troisième exemple de réalisation, le canal de refroidissement est réalisé en diminuant l'épaisseur de la paroi de la cavité résonnante 10. La faible épaisseur de la paroi permet un flux de chaleur important. Dans un quatrième exemple de réalisation, le canal de refroidissement a une section circulaire. Un tel canal est avantageusement droit comme illustré sur les figures 6b et 7b. Les canaux de refroidissement 34 et les extrémités 35 sont vus en coupe sur la figure 2. Dans une variante de réalisation l'épaisseur de la paroi 30 supportant les cavités résonnantes 10 est réduite au niveau des diaphragmes 32. Sur les figures 3,4 et 5, on peut voir d'un autre exemple de réalisation permettant de limiter les transferts d'énergie provenant de l'effet Joule au niveau du diaphragme 32 vers les zones supraconductrices 31. Sur les figures 3,4 et 5, seule la moitié d'un diaphragme a été représentée. Sur la figure 3, on peut voir un diaphragme 32 présentant un chapeau, par exemple arrondi séparé par des drains thermiques 36 des zones supraconductrices 31. Ces drains thermiques 36 limitent la transmission de l'énergie des extrémités des diaphragmes 32 dans les zones supraconductrices à la transmission par rayonnement. La chaleur évacuée par la masse 30, par exemple métallique, des cavités résonnantes 10 ne perturbe pas le bon fonctionnement des zones supraconductrices 31. I1 est bien entendu possible d'utiliser simultanément des diaphragmes 32 présentant des drains thermiques 36 et des canaux de refroidissement 34. Sur la figure 3, le diaphragme 32 a une forme arrondie. Le diamètre est sensiblement égal à la distance entre les extrémités des zones supraconductrices 31. Une extrémité arrondie permettant de limiter les transitions brusques de champ magnétique et électrique. Sur la figure 4, on peut voir une coupe d'un exemple de réalisation d'un diaphragme susceptible d'être mise en oeuvre dans le dispositif selon la présente invention. Le diaphragme est un disque comportant deux faces parallèles recouvertes par les matériaux supraconducteurs 31. L'extrémité du diaphragme est formé par un chapeau arrondi 32, formant l'iris, par exemple en cuivre. Les champs électriques portent, sur la figure, les références 81 et 82. Les champs magnétiques portent, sur la figure, les références 84 et 85. L'axe des cavités résonnantes 10, correspondant à l'axe du faisceau de particules, porte la référence 86. Avantageusement, le diaphragme est creux et comporte un canal de refroidissement 34 susceptible de laisser pénétrer le fluide de refroidissement à proximité de la zone 32 à conduction ohmique. Avantageusement, un drain thermique 36 limite le flux thermique entre la zone 32 à conduction ohmique et les zones supraconductrices. Le drain thermique est constitué, par exemple, par une rainure circulaire de quelque dixième de millimètres. Un tel drain thermique est, par exemple, obtenu par usinage, avec un coup de scie circulaire. Sur la figure 5, on peut voir une coupe d'un exemple de diaphragme susceptible d'être mis en oeuvre dans le dispositif selon la présente invention dont la base est plus large que le sommet, au niveau des iris. Vue en coupe, la moitié du diaphragme, en allant de la périphérie vers l'axe 86 des cavités résonnantes 10, a tout d'abord une forme trapèzoldale, puis, comme dans l'exemple de la figure 4, prend la forme d'un disque terminé par un chapeau 32 à conduction ohmique. De même, l'exemple de la figure 5 comporte, avantageusement, un canal de refroidissement 34 et/ou un drain thermique 36. Sur la figure 6, on peut voir un exemple de réalisation des cavités résonnantes 10 selon la présente invention de forme sensiblement cyllndrique. Cette forme présente l'avantage de feclliter les dépôts de couches supraconductrices 31 sur le support 30. En effet, dans le cas des matériaux supraconducteurs anisotropes, comme par exemple les oxydes de cuivre, le dépôt sur les surfaces planes ou cylindriques est obtenu le plus facilement. Dans l'exemple référencé 324 présentant une transition à angle droit entre le creux 33, et le diaphragme des cavités résonnantes 10. Selon une variante de réalisation référencée 323 sur la figure, cette transition est arrondie de façon à limiter les variations brusques de champ électrique et magnétique. Dans une première variante de réalisation référencée 320 les diaphragmes sont des disques percés. Ce type de diaphragme comporte avantageusement un canal de refroidissement 34. Sur la figure 6a, on peut voir un exemple de réalisation du diaphragme comportant des canaux de refroidissement 34 constitué par des trous rectilignes, les trous sont réalisés par exemple par perçage. Une coupe dans le plan médian du diaphragme est illustrée sur la figure 7a. L'exemple illustré sur la figure 7a comprend six trous assurant le refroidissement des zones 32 à conduction ohmique. Les trous ont par exemple 3mm de diamètre. I1 est bien entendu que l'utilisation des trous le diamètre différent ou d t un nombre de trous différents ne sort pas du cadre de la présente invention. Sur les figures 6b et 7b, on peut voir deux coupes d'un exemple de réalisation comportant un canal de refroidissement 34 entourant la zone à conduction ohmique 32. Le canal de refroidissement 34 communique avec le reste de l'enceinte cryogénique par exemple par deux ouvertures 341 et 342. Pour obtenir ce type de canal de refroidissement 34, particulièrement efficace, on usine séparément deux moitiés de diaphragme. L'assemblage des deux moitiés est obtenu par exemple par la brasure 89. Les flèches 343 sur la figure 7b indiquent qu'il est possible d'utiliser le refroidissement en conduction forcée, par exemple, d'azote liquide. Sur la figure 8, on peut voir un accélérateur de particules comportant un ensemble 1 de cavités résonnantes 10. Dans l'accélérateur de particules, les particules sont accélérées par couplage dans les cavités résonnantes 10 et avec l'énergie d'une source hyperfréquence. L'ensemble 1 de cavités 10 se compose de cavités ayant des zones supraconductrices 31 et des zones à conduction ohmique. Les zones supraconductrices 31 sont situées, par exemple, au fond des cavités résonnantes 10, les zones à conduction ohmique étant situées à des extrémités des diaphragmes 32 délimitant les cavités résonnantes 10. L'ensemble 1 comporte une entrée d'énergie hyperfréquence 8. L'entrée 8 est par exemple couplée à une source 2 d'énergie hyperfréquence, comme par exemple, un tube à vide de type Klystron ou un ensemble de modules transistorisés. Avantageusement, l'accélérateur de particules selon la présente invention comporte aussi une sortie 7 d'énergie hyperfréquence connectée par un dispositif de recirculation 93 à l'entrée 8. La sortie 7 du dispositif de recirculation 93 permet de réinjecter énergie non utilisée dans les cavités 10. Avantageusement, le dispositif de recirculation 93 comporte un dispositif de limitation de l'énergie hyperfréquence réinjectée interdisant la croissance continue de l'énergie présente dans les cavités 10 qui risquerait de détruire ces cavités. La croissance de énergie risque surtout de se produire, en absence des faisceaux de particules à accélérer, avec des accélérateurs de particules comportant des zones 31 supraconductrices.Le dispositif de limitation 4 est par exemple une charge ohmique abaissant le niveau de l'énergie hyperfréquence ré injectée par l'entrée 8. Avantageusement, les zones supraconductrices 31 s'étendent jusqu'aux limites de l'enceinte cryogénique au niveau de l'entrée 8 et de la sortie 7 de l'énergie hyperfréquence. L'accélérateur de particules de la figure 6 comporte, en outre, une source 3 de particules à accélérer. Ces particules sont des particules chargées, comme par exemple des électrons, des protons, des particules ot ou des ions. L'exemple de réalisation illustré sur la figure 6 est un accélérateur d'électrons. Ainsi, la source 3 est un canon à électrons comportant, représentée schématiquement, une cathode 5 et une anode 6. Les particules à accélérer rentrent par une ouverture 11 et sortent par une ouverture 12 dans l'ensemble 1 des cavités résonnantes 10. Sur la figure 9, on peut voir un tube 9 ondes progressives selon la présente invention comportant un ensemble 1 des cavités résonnantes 10. Le tube à ondes progressives est un dispositif inverse d'un accélérateur de particules linéaires tel que représenté sur la figure 8. Dans le tube à ondes progressives, tel que représenté sur la figure 9, les ondes hyperfréquences sont amplifiées grâce à l'énergie fournie par un faisceau de particules chargées, comme par exemple les électrons. Les ondes hyperfréquences à amplifier entrent par une entrée 8, traversent fés cavités résonnantes 10 et sortent par une sortie 7. Par exemple les entrées 8 et les sorties 7 comportent des guides d'ondes. On a référencé 55 sur la figure 9 la limite de ltenceinte cryogénique. Un canon à électrons 3 est connecté à ltentrée de la première cavité résonnante 10.Les électrons fournis par le canon à électrons 3 vont se coupler électromagnétiquement avec les ondes hyperfréquence s traversant le tube à ondes progressives. De ce couplage, il va résulter l'amplification, les électrons cédant leurs énergies aux ondes électromagnétiques. Dans un premier exemple de réalisation, les pertes par effet Joule dans les zones à conduction ohmiques 32 sont 1 000 fois inférieures à celles des zones supraconductrices 31. Cet exemple de réalisation a été obtenue grâce à une simulation sur ordinateur à l'aide d'un programme de calcul commercialisé sous la dénomination "SUPERFISH". L'invention s'applique à la réalisation des cavités résonnantes et aux dispositifs utilisant de telles cavités. L'invention s'applique principalement à la réalisation de tubes à ondes progressives et des accélérateurs de particules. De tels accélérateurs de particules trouvent leur application, principalement en médecine, dans l'industrie agro-alimentaire, pour la conservation des aliments ainsi que pour la recherche en physique nucléaire. REVENDICATIONS 1. Cavité résonnante (10) comportant des zones supraconductrices (31), caractérisée par le fait qu'elle comporte en outre des zones à conduction ohmique (32). 2. Cavité selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les zones à conduction ohmique (32) sont disposées aux endroits où le champ magnétique est minimal. 3. Cavité selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que les zone supraconductrices (31) sont des dépôts de faible épaisseur effectués sur un support métallique (30). 4. Cavité selon la revendication 3, caractérisée par le fait que les zones à conduction ohmique (32) sont réalisées dans le même matériau que le support (30). 5. Cavité selon la revendication 1,2,3 ou 4, caractérisée par le fait que les zones à conduction ohmique (32) sont réalisées en cuivre. 6. Cavité selon la revendication 1,2,3 ou 4, caractérisée par le fait que les zones à conduction ohmique (32) sont réalisées en argent. 7. Cavité selon la revendication 1,2,3,4,5 ou 6, caractérisée par le fait qu'elle comporte un canal de refroidissement (34) permettant d'abaisser la température de la zone à conduction ohmique (32) sans élever la température de la zone supraconductrice (31). 8. Cavité selon la revendication 1,2,3,4,5,6 ou 7, caractérisée par le fait qu'elle comporte des drains thermiques (36) permettant de limiter le flux thermique entre les zones à conduction thermique (32) et les zones supraconductrices (31). 9. Cavité selon itune quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que sa surface interne a sensiblement la forme d'un cylindre fermé aux extrémités par deux diaphragmes. 10. Cavité selon la revendication 9, caractérisée par le fait que les bords des diaphragmes ont une forme arrondie constituant la zone à conduction ohmique (32). 11. Cavité selon la revendication 9 ou 10, caractérisée par le fait que la jonction (323) du cylindre avec le diaphragme présente une forme arrondie. 12. Dispositif (1) permettant d'obtenir un couplage entre particules chargées et un champ électromagnétique, caractérisé par le fait qu'il comporte une pluralité de cavités selon Itune quelconque des revendications précédentes. 13. Accélérateur de particules, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins une cavité résonnante selon l'une quelconque des revendications 1 a Il. 14. Accélérateur selon la revendication 13, caractérisé par le fait que ledit accélérateur est un accélérateur d'électrons. 15. Tube à ondes progressives (TOP), caractérisé par le fait qu'il comporte au moins une cavité selon l'une quelconque des revendications 1 à 11.