Brevet FR2653606A1 — publié le 19910426

La présente invention concerne les lasers à électrons libres (LEL), et plus particulièrement ceux utilisant un faisceau d'électrons issu d'un accélérateur de type électrostatique. Les LEL utilisent le principe général énoncé par John MADEY dans le brevet américain NO 3822410, du 2 Juillet 1974, suivant lequel la déflexion d'un faisceau d'électrons, obtenue soit électriquement, soit magnétiquement, par exemple au moyen d'un réseau linéaire d'aimants ayant des polarités alternativement opposées, conduit à l'émission d'une radiation électromagnétique. Ce mécanisme peut être utilisé pour l'émission d'un faisceau laser, soit en fonctionnant en oscillateur, soit en amplificateur, c'est-à-dire de façon analogue à ce qui était connu dans le domaine des lasers conventionnels. D'une façon plus précise, l'invention concerne les LEL dont le faisceau d'électrons est accéléré par un accélérateur électrostatique, dans lequel il est possible de réinjecter ledit faisceau après la sortie du réseau linéaire d'aimants, qu'on conviendra d'appeler 'onduleur, afin d'en récupérer l'énergie restante. Cette technique a été développée avec succès par Luis ELIAS, à l'Université de Californie-Santa Barbara (UCSB) - USA. Les performances obtenues par ces LEL sont, notamment, dépendantes du taux de recirculation n du faisceau. Idéalement, on devrait pouvoir réinjecter dans l'accélérateur la totalité du courant accéléré, et donc, par conséquent, avoir n = 1 . Malheureusement, diverses causes sont à l'origine d'une certaine perte de faisceau, qui, en valeur relative, est égale à 1 - n . Parmi ces causes, la diffusion Rutherford des électrons sur les atomes de gaz résiduel peut devenir importante dans le cas où le vide n'est pas bon sur la trajectoire du faisceau. C'est précisément le cas de l'installation de 1'UCSB, où le volume de l'onduleur est très mal pompé. L'invention a pour but d'éviter cet inconvénient, en procurant un excellent pompage de l'onduleur. Elle permet, par ailleurs d'obtenir une installation plus compacte, ayant une meilleure stabilité mécanique, ce qui est généralement d'un grand intérêt en optique. L'invention a pour objet un laser à électrons libres utilisant le faisceau d'un accélérateur électrostatique avec récupération d'énergie, dans lequel la ligne de faisceau, située au potentiel de la masse, qui comprend une branche (2) interagissant avec le réseau alterné de onduleur (4) et une autre branche parallèle (3) remontant dans l'accélérateur, est entièrement contenue dans une chambre à vide (1). Suivant une autre caractéristique, la chambre à vide (1) est réalisée en mécano-soudure, à partir de tôles en aluminium ou en inox. Suivant une autre caractéristique, la chambre à vide (1) comporte des parties amincies, permettant de placer les différents systèmes magnétiques (dipôle de déflexion et onduleur) à l'extérieur de ladite chambre à vide, sans, pour autant, augmenter trop ltentrefer. Selon une autre caractéristique, ladite chambre à vide (1) possède des brides, permettant d'installer des dispositifs utiles au diagnostic du faisceau. Selon une autre caractéristique, ladite chambre (1) possède une grande bride, permettant la mise en place d'une lentille quadrupôlaire sur la branche de retour (3). Selon une autre caractéristique, le pompage dans le guide d'onde, situé dans l'entrefer de l'onduleur (4), communique avec la partie volumineuse de la chambre à vide (1) par la tranche, entre les taquets (5) servant à éviter l'écrasement de la chambre sous les contraintes exercées par la pression atmosphérique. Suivant une autre caractéristique, la chambre (1) est réalisée en deux demi-coquilles, assemblées suivant le plan de symétrie qui contient les branches de faisceau (2) et (3). Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, référencée aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 représente le principe d'un laser à électrons libres utilisant un faisceau d'accélérateur électrostatique avec récupération d'énergie. - la figure 2 représente une vue de face de la chambre à vide (1), qui contient les branches de faisceau aller (2) et retour (3). - la figure 3 représente une coupe transversale a-a de la chambre à vide (1). - la figure 4 représente une coupe longitudinale b-b, contenant le faisceau (2). On sait que la meilleure voie pour réaliser un laser à électrons libres consiste à utiliser le faisceau d'électrons d'un accélérateur électrostatique, ceci essentiellement pour trois raisons - le faisceau est d'une très grande qualité (faible émittance), ce qui est une condition impérative pour faire un laser à électrons libres (LEL). - on peut réaliser des impulsions longues, allant jusqu'au fonctionnement continu. Ceci autorise des stabilités spectrales remarquables. - la récupération de l'énergie du faisceau d'électrons en sortie d'onduleur est très facile à réaliser. I1 en résulte une augmentation globale du rendement de la machine, qui peut dépasser 50 %. On voit donc que la récupération de l'énergie du faisceau est un point clé de cette technologie laser. Son principe peut être compris à partir de la figure 1. Dans une enceinte pressurisée (6), contenant du gaz (SF6 ou équivalent) sous une pression de 8 9 16 bars, on trouve une électrode haute tension (7), qui surmonte deux tubes accélérateurs (9) et (10). Le tube (9) comporte à son extrémité un canon à électrons (11), situé entièrement dans la tête haute tension (7), tandis que le tube (10), parallèle au précédent, comporte à son extrémité un collecteur d'électrons (12). Un faisceau d'électrons de quelques ampères est extrait de (7), accéléré dans (9), et extrait de la machine au potentiel de la masse. Le faisceau, qui a alors une énergie de quelques MeV, suit une trajectoire (2), au cours de laquelle il interagit avec un champ magnétique alterné, créé dans un appareillage (4), que l'on conviendra d'appeler onduleur .A la sortie de cet onduleur, le faisceau subit une déviation de 1800, dans un dipôle magnétique (5), qui le renvoit dans l'accélérateur.Ainsi, les électrons remontent le potentiel électrostatique pendant leur trajet dans le tube (10), en tous points identique à (9), mais qui joue ici le rôle de décélérateur, avant d'arriver dans le collecteur (12), où un générateur de tension restitue au faisceau d'électrons l'énergie qu'il a cédée au faisceau laser dans l'onduleur (4). La ligne de faisceau, située au potentiel de la masse, comprend donc les branches (2) et (3) dudit faisceau. Elle s'effectue, suivant l'invention, dans une chambre à ultra-vide unique (1), représentée schématiquement sur la figure 2. Cette configuration de chambre unique permet d'obtenir, sur tout le parcours du faisceau, une pression résiduelle très basse, par exemple de l'ordre de 10-7 torr. Ceci est en effet nécessaire, pour éviter que, par collision Rutherford sur les atomes de gaz résiduel, une fraction trop importante du faisceau ne soit perdue. Si, par exemple, on accélère le courant I , et que l'on ne récupère sur le collecteur que la fraction T)I (T) V de la tête haute tension (7), devra débiter le couorant (1 - T))I. On a, bien entendu, intérêt à limiter la puissance V(1 - T))I de ce générateur, non seulement parce qu'elle est très coûteuse,mais également parce que cette perte d'énergie affecte le rendement global du laser. L'amélioration du vide contribue à atteindre cet objectif. Comme on peut le voir sur la figure 3, le pompage dans la région de la branche (2) est difficile 9 réaliser, car l'espace situé entre les deux pôles de l'onduleur (4) est réduit au maximum, afin d'obtenir une induction élevée. Ce pompage sera pourtant efficace, en raison du fait que la fente qui permet de faire communiquer cet espace étroit avec le volume principal de (1) est pratiquement échancrée sur toute la longueur de la chambre (1), comme on peut le voir sur la figure 4, qui représente une coupe longitudinale suivant b-b. Seuls des taquets (5), occupant une faible fraction de la section de pompage, sont disposés régulièrement, afin d'éviter l'écrasement de la chambre à vide sous l'effet de la pression atmosphérique. La chambre (1) joue également un second rôle, celui de support mécanique des éléments constituant le résonateur optique du laser, à savoir - la paroi (14) de la chambre, qui est amincie au droit des onduleurs (4) et plaquée d'une couche d'or (13) de 100 à 200 n d'épaisseur, jouant le rôle de guide d'onde vis-à-vis du faisceau optique, - les miroirs cylindriques (15) et (16), permettant de réaliser avec le guide (13) un résonateur hybride, analogue au principe énoncé par l'équipe de Luis ELIAS à l'Université de Santa Barbara (Californie). La chambre à vide (1) supporte tous les éléments permettant le diagnostic du faisceau, ainsi que tous les éléments permettant de produire ou contrôler le vide. Cette chambre est réalisée en deux demi-coquilles mécano-soudées et assemblées par le plan de symétrie, comme on peut le voir sur la figure 3, au moyen des soudures S1-S2. Cette disposition permet d'obtenir une grande précision pour les usinages internes et externes de la paroi (14), et pour le positionnement de tous les éléments d'optique ou d'optique électronique. L'invention peut être utilisée dans toutes les applications des lasers à électrons libres. REVENDICÂTIONS 10) Chambre à vide pour laser à électrons libres utilisant le faisceau d'électrons d'un accélérateur électrostatique avec récupération d'énergie, caractérisé en ce que la ligne de faisceau, située au potentiel de la masse, qui comprend une branche (2) interagissant avec le réseau alterné de l'onduleur (4) et une autre branche parallèle (3) remontant dans l'accélérateur, est entièrement contenue dans une chambre à vide (1). 20) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre à vide (1) est réalisée en mécano-soudure, à partir de tôles en aluminium ou en inox. 30) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre à vide (1) comporte des parties amincies, permettant de placer les différents systèmes magnétiques (dipôle de déflexion et onduleur) à l'extérieur de ladite chambre à vide, sans, pour autant, augmenter trop l'entrefer. 40) Dispositif suivant les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que ladite chambre à vide (1) possède des brides, permettant dtinstaller des dispositifs utiles au diagnostic du faisceau. 50) Dispositif suivant les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que ladite chambre (1) possède une grande bride, permettant la mise en place d'une lentille quadrupolaire sur la branche de retour (3). 60) Dispositif suivant l'une quelconque des revendications de 1 à 5, caractérisé en ce que le pompage dans le guide d'onde, situé dans l'entrefer de l'onduleur (4), communique avec la partie volumineuse de la chambre à vide (1) par la tranche, entre les taquets (5) servant à éviter l'écrasement de la chambre sous les contraintes exercées par la pression atmosphérique. 70) Dispositif suivant l'une quelconque des revendications de 1 à 6, caractérisé en ce que la chambre (1) est réalisée en deux demi-coquilles, assemblées suivant le plan de symétrie qui contient les branches de faisceau (2) et (3).