Brevet FR2646582A1 — publié le 19901102

DISPOSITIF D'INTRODUCTION ADIABATIQUE D'ONDUI;EUR DOUBLE HELICE POUR APPLICATION AUX LASERS A ELECTRONS LIBRES Dans les lasers à électrons libres, le rayonnement est obtenu par la modulation de l'impulsion d'electrons dans le vide. Les équations de Maxwéll nous décrivent le rayonnement émis par une charge électrique qui subit une variation d'impulsion dp due à un champ externe F, généralement en présence de champs électriques et magnétiques. L'amplitude de rayonnement varie en fonction de la variation de l'impulsion . L'amplitude de la radiation électronique émise par une charge électrique en mouvement non uniforme dépend de la masse m de la particule, la variation d'énergie se répartissant entre une variation de masse, une variation de vitesse et un rayonnement. L'intensité de la radiation est d'autant plus forte que l'accélération ou plus exactement la variation de l'impulsion de la particule est grande (ce qui englobe à la fois les variations de masse et de position), Dans les accélérateurs de particules de géométrie circulaire dans lesquels les particules sont contraintes à suivre des orbites circulaires par des champs magnétiques et par conséquent subissant une variation constante de leur impulsion, la radiation émise par des particules de faible masse (cf électrons, positrons) est particullèrement intense. Cette radiation appelée radiation synchrotron d'après les premières machines accélératrices de particules dans lesquelles le phénomène a été observé, a été longtemps considérée comme un gros inconvénient des accélérateurs circulaires pour électrons. Les années 1970 ont vu le développement de laboratoires spécialisés qui mettent à profit le rayonnement synchrotron, polychromatique et non cohérent, dans des études de la structure de la matière condensée. La lumière synchrotron est pulsée chaque fois que le faisceau d'électrons passe en face de la fenêtre d'extraction du rayonnement. Cette lumière pulsée, d'impulsions très courtes et bien caractérisées, se prête facilement aux études cinématiques à des échelles de temps allant de la milliseconde à la picoseconde. Une radiation cohérente en phase et monochromatique, tout comme la radiation émise par un laser classique, peut être obtenue d'une façon générale autour des faisceaux relativistes en faisant subir aux électrons des déviations périodiques perpendiculaires à leur trajet moyen. Ceci est le principe de réalisation du "laser à électrons libres" fonctionnant, toujours dans le domaine relativiste, sur la base de l'effet de contraction du temps, entre un référentiel lié au faisceau et un référentiel fixe, les déviations "vues par le faisceau" étant observables dans le référentiel fixe à une fréquence bien plus élevée. Le rayonnement d'un laser à électrons libres provient de l'addition des rayonnements émis par chacune des sources" constituees par les déviations de faisceaux et n'est donc pas homogène dans l'espace entourant les sources, du fait des différences de marche en un point donné des rayonnements provenant des diverses sources. Du fait des relations de phases entre les sources créées par la forme de l'onduleur, le rayonnement d'un laser à électrons libres est cohérent. Le dispositif qui permet d'obtenir les déviations périodiques des électrons est appelé un "onduleur", car dans sa conception la plus simple, le trajet des électrons est "ondulé" par le dispositif. On peut facilement imaginer les ondes décrites par le trajet des électrons quand ils traversent une région où des champs électriques ou magnétiques alternatifs dévient dans un sens ou dans l'autre les électrons dans une direction perpendiculaire à celle de leur vitesse. Dans les réalisations pratiques- d'onduleur, les champs magnétiques sont fournis soit par des aimants alternés le long du trajet des électrons (polarisation linéaire, perpendiculaire au trajet des électrons), soit par la circulation de courants électriques autour du faisceau (polarisation hélicoidale). Le polarisation hélicoïdale a l'avantage d'éviter le problème de la dérive du faisceau dans un champ magnétique de guidage et possède un degré de symétrie plus élevé ; en particulier la composante longitudinale du champ magnétique est nulle sur l'axe. De plus, cette polarisation focalise le faisceau dans deux dimensions. Pour obtenir le fonctionnement optimal du laser à électrons libres (LEL), le faisceau d'électrons doit être injecté dans un onduleur à introduction "adiabatique", ce qui veut dire que les champs de l'onduleur montent vers leur valeur maximale de façon progressive à partir du point ou les électrons sont introduits. Dans le cas de l'onduleur double hélice utilisé dans le cadre de la présente invention, le champ est produit en faisant circuler du courant dans des bobinages hélicoïdaux. Le profil adiabatique peut être obtenu de différentes façons : par diffusion magnétique lorsque le champ d'onduleur est produit par une impulsion de courant, en changeant le rayon des bobinages hélicoïdaux, ou en shuntant le courant circulant dans l'onduleur Cette dernière méthode s'avère être la plus efficace car elle permet d'obtenir un accroissement continu du champ magnétique le long du faisceau. Dans la méthode de l'art antérieur on soudait des anneaux résistifs aux hélices (toutes les demi périodes généralement) pour shunter le courant progressivement. Ces anneaux sont perpendiculaires à l'axe de l'onduleur ; à cause de leur symétrie, Ia perturbation de champ magnétique induite par les courants circulant dans chaque anneau est nulle sur l'axe. Néanmoins, la réalisation pratique d'un telle introduction adiabatique s'avère être délicate ; en particulier la soudure doit être faite très soigneusement de façon à éviter une résistance de contact élevée qui limiterait le courant d'onduleur et donc l'amplitude du champ d'onduleur Pour les très forts courants, ces contacts sont en général détruits par chauffage Joule. De plus le profil du courant obtenu de cette manière n'est pas tout à fait adiabatique, mais ressemble à une succession de fonctions de Heaviside, et donc possède des perturbations harmoniques assez importantes. La présente invention permet de remédier à ces inconvénients et d'obtenir un accroissement continu et linéaire du courant dans la région d'introduction. L'invention a pour objet un dispositif d'introduction adiabatique dans lequel les bobinages hélicoïdaux sont nus et immergés directement dans une résistance liquide coaxiale. Ceci donne automatiquement un accroissement continu et linéaire du courant circulant dans les deux bobines, de zéro à une valeur maximale correspondant au courant total circulant dans l'onduleur. La longueur de la résistance détermine la pente du profil de courant. Selon l'invention, la résistance liquide est ajustée à une valeur suffisamment faible pour ne pas modifier fortement l'impédance totale de l'onduleur. Puisque le dispositif selon l'invention ne requiert pas de contacts mécaniques, l'onduleur peut être utilisé avec des courants très élevés. La simplicité de réalisation et l'absence de contacts mécaniques conduisent à une très grande fiabilité et simplicité de mise en oeuvre par rapport à l'art antérieur. L'invention et les avantages apportés par l'utilisation de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détafllée qui est faite à titre d'exemple non limitatif et qui est illustrée par les dessins suivants sur lesquels - la figure 1 représente un diagramme schématique du système d'onduleur avec dispositif d'introduction adiabatique, - la figure 2 représente les profils de courants et de champs obtenus dans le cas -d'un onduleur sans introduction adiabatique en fonction de la position sur l'axe de l'onduleur, - la figure 2a représente un courant d'onduleur sans introduction adiabatique, - la figure 2b représente le champ transverse d'onduleur généré par le courant de la fig. 2a, calculé par ordinateur, - la figure 2c représente le champ transverse d'onduleur généré par le courant de la fig. 2a, obtenu en mesure expérimentale, - la figure 3 représente un schéma de système de mesure expérimentale permettant d'effectuer les mesures présentées en figure 2c et 4 c, - la figure 4 représente les résultats obtenus avec un dispositif d'introduction adiabatique selon l'invention, en fonction de la position sur l'axe de I'onduleur, - la figure 4a représente un courant d'onduleur avec introduction adiabatique selon l'invention, - la figure 4b représente le champ transverse d'onduleur généré par le courant de la figure 4a calculé par ordinateur, - la figure 4c représente le champ transverse d'onduleur généré par le courant de figure 4a, obtenu en mesure expérimentale selon le schéma de la figure 3. Le dispositif d'introduction adiabatique selon l'invention comporte une résistance liquide de shunt dans la région d'introduction d'électrons d'un onduleur à double hélice. Un schéma représentatif mais non limitatif d'un dispositif selon l'invention est présenté sur la figure 1. Selon une configuration préférée telle que représentée sur la figure 1, une cellule cylindrique 1 de symétrie axiale, contenant un électrolyte 2 en contact avec les deux bobinages hélicoïdaux d'onduleur (indiqués sur la figure par les références B1 et B2), définit par sa longueur la région d'introduction adiabatique 3 en assurant une variation continue et linéaire du courant dans les hélices et donc de I'amplitude du champ magnétique transverse induit par ce courant, le long de la région d'introduction. Comme montré sur la figure 1, l'onduleur ainsi que la cellule cyclindrique sont disposés dans une configuration coaxiale, concentrique avec le faisceau d'électrons ; les deux bobinages hélicoïdaux de l'onduleur sont disposés de telle façon que sur une coupe perpendiculaire à l'axe de l'onduleur, les bobinages sont diamétralement opposés. Le sens du courant électrique I1, I2 est différent dans les deux bobinages B1, B2 ce qui permet un retour de courant fourni par un générateur 4 branché aux deux bobinages à l'extrémité éloignée de la cellule. La cellule est de préférence en plexiglas s. Le champ magnétique transverse sur l'axe de l'onduleur peut être calculé directement à partir de la formule de Biot et de Savart pour différents profils de courant et différentes géométries. Dans un but de contrôle du fonctionnement du dispositif, ce champ peut être mesuré en utilisant une sonde de Hall 6 dans un circuit de mesure expérimentale tel que schématisé sur la figure 3 Une source de courant impulsionnelle ou continue 4 est branchée aux deux bobinages à l'extrémité éloignée de la cellule de plexiglass 1 remplie de son liquide de shunt 2. Le calcul et la mesure ont été effectués pour deux profils de courant représentés sur les figures 2a et 4a. Le profil de courant de la figure 2a correspond à une fonction de Heaviside. Le calcul représenté sur la figure 2b, ainsi que la mesure représentée sur la figure 2c, présentent une forte perturbation du champ par effet de bord à l'endroit correspondant à la variation brutale du profil du courant. Cette perturbation présente de sérieux inconvénients pour l'application aux lasers à électrons libres (LEL), car la propagation d'un faisceau d'électrons froid dans une telle région d'introduction amènerait la plupart des électrons sur des orbites instables et entraînerait le mauvais fonctionnement du LEL. Le second profil de courant (figure 4a) correspond à un accroissement linéaire du courant dans la région d'introduction en utilisant un shunt continu en liquide résistif selon l'invention. La région d'introduction mesure ici 10 périodes de long. Le calcul montré sur la figure 4b et la mesure montrée sur la figure 4c démontrent l'intérêt de l'invention quand ces figures sont comparées au cas précédent (figure 2). Dans les deux cas, le rapport d'aspect de l'onduleur est r/lw = 0,65, r est le rayon des bobinages et lw est le pas de l'hélice et la période de l'onduleur. Le calcul et la mesure présentés sur les figures 4b et 4c montrent que le profil linéaire de courant produit un accroissement quasi linéaire de l'amplitude du champ d'onduleur le long de la région d'introduction depuis le côté d'injection. Pour une pente suffisamment faible, l'introduction est adiabatique et ne change pas l'état énergétique des électrons, ainsi garantissant le bon fonctionnement du LEL. De plus, la symétrie de la distribution de courant dans la résistance liquide (courants de shunt) est telle qu'elle ne perturbe pas le champ d'onduleur sur l'axe. Dans une première réalisation d'un dispositif selon l'invention, utilisé pour effectuer la mesure montrée sur la figure 4c, une cellule cylindrique de plexiglass est remplie par un électrolyte choisi en fonction de la matière des bobinages hélicoïdaux, par exemple sulfate de cuivre pour des bobinages de cuivre ou thyosulfate de sodium pour des bobinages d'aluminium. Les résultats montrés sur les figures 4b et 4c indiquent que le dispositif selon I'invention permet d'obtenir directement une augmentation continue, et linéaire de l'amplitude du champ d'onduleur sur une région de longueur arbitraire. Ainsi, on obtient une introduction adiabatique de très bonne qualité en utilisant cette technique. En particulier, on évite entièrement les problèmes d'effet de bord produits par les autres méthodes généralement utilisées. De plus, la réalisation pratique de cette introduction s'avère être très simple et l'absence de contacts mécaniques permet d'opérer l'onduleur à très forts courants avec une très grande fiabilité. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'introduction adiabatique d'onduleur double hélice comportant un bobinage hélicoïdal en contact avec une résistance liquide dans laquelle baigne le bobinage et qui sert de shunt à ce bobinage. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la résistance liquide est un électrolyte contenu dans une cellule cylindrique de symétrie axiale, disposée en géométrie coaxiale par rapport aux bobinages de ltonduleur. 3. Onduleur double hélice incorporant un dispositif selon les revendications 1 ou 2. 4. Laser à électrons libres utilisant un onduleur double hélice selon la revendication 3.