Brevet FR2650448A1 — publié le 19910201

LASER A ELECTRONS LIBRES A ACCELERATEUR D'ELECTRONS PERFECTIONNE DESCRIPTION La présente invention a pour objet un Laser à électrons libres à accélérateur d'électrons perfectionné. Elle trouve une application dans la production de rayonnement cohérent dans une plage allant du submillimétrique au proche infrarouge. Un laser -à électrons libres selon l'art antérieur est schématiquement représenté sur la figure 1. Il comprend une source d'électrons K, engendrant un faisceau d'électrons, une structure accélératrice ACC accélérant ce faisceau jusqu'à.des vitesses relati- vistes, des déviateurs DEV1, DEV2 permettent d'introduire le faisceau accéléré dans une structure magnétique W dite onduleur (ou "wiggler" en terminologie anglo-saxonne) formée d'aimants périodiquement alternés. A l'intérieur de cet onduleur, le faisceau d'électrons subit une série 2U de déflexions de sens alternés. A la sortie, le faisceau d'électrons est à nouveau défléchi par un déviateur DEV3 et finalement absorbé par un atténua- teur A. Deux miroirs M1 et M2 encadrent l'onduleur. Dans la variante représentée, un oscillateur OSC délivre un faisceau électromagnétique L1 qui traverse l'onduleur. Celui-ci est le siège d'une interaction entre le faisceau d'électrons et le faisceau électromagnétique. Si certaines conditions sont respectées, l'onde électràmagnétique est amplifiée aux dépends de l'énergie du faisceau d'électrons. Un faisceau laser intense et co'hérent L2 est émis et dirigé vers les moyens d'utilisation. Une structure à éLectrons libres peut fonctionner également en oscillateur. Dans ce cas, les miroirs M1 et M2 sont parallèles et forment une cavité résonante. L'osciLLateur OSC est. natureLlement absent dans ce cas. Dans ce qui suit, le mot "Laser" doit donc être pris aussi bien dans Le sens d'amplificateur que d'osciLLateur. On peut trouver une description de ce dispositif dans Le brevet des Etats-Unis d'Amérique US-A-3,882,410. L'optimisation du fonctionnement d'un Laser à électrons Libre.s repose en partie sur Les paramètres du faisceau d'électrons injecté dans L'onduLeur. Parmi ces paramètres, on peut citer L'intensité du faisceau, l'énergie des électrons, La dispersion des vitesses, le diamètre du faisceau. Dans Les Lasers à électrons Libres construits jusqu'ici, on a utilisé diverses structures accélératrices comme: - les accélérateurs Linéaires, pour des énergies aLLant de 20 à 120 MeV, - Les accélérateurs linéaires à induction, de 0,5 à 5 Mev, - Les accélérateurs électrostatiques (type Van de Graf), de 3 à o MeV, - les diodes alimentées par un générateur de Marx, de 0,15 à I MeV, - les anneaux de stockage, de 150 à 540 MeV, - Lest microtrons, de 100 à 150 MeV. Si ces accélérateurs conviennent à certains égards, ils présentent néanmoins des inconvénients. 3U En particulier, Leur complexité est telle qu'il est difficile de réaliser un laser de type industriel, c'est-à-dire présentant un encombrement réduit, un faibLe coot, et une bonne fiabilité. Pa-r ailleurs, Le rendement énergétique des accélérateurs classiques est modeste tandis que la dispersion en énergie des électrons accélérés est excessive. Le laser à électrons libres est dbnc resté jusqu'à ce jour essentieLLement un outil de laboratoire. La présente invention a justement pour but de remédier à ces inconvénients. A cette fin, elle propose a'appliquer au laser à électrons libres un accélérateur d'électrons particulier, en soi connu. Un tel accélérateur est particulièrement compact, souple d'emploi, simple de mise en oeuvre et économi- que. Il délivre un faisceau d'électrons intense avec une faible dispersion d'énergie, ce qui permet d'obte- nir les conditions optimales d'interaction dans l'ondu- leur et augmenter ainsi le rendement du laser. Selon la présente invention, l'accélérateur est une structure coaxiale à passages multiples que le demandeur a décrit et revendiqué dans sa demande de. brevet français FR-A-2 616 032. Le domaine d'ap- plication de cet accélérateur était limité jusqu' à présent à l'irradiation de substances diverses telles que les produits agroalimentaires, soit directement par les électrons accélérés, soit par dûs rayons X obtenus par conversion sur une cible en métal lourd. La structure accélératrice retenue selon l'invention, en plus des avantages soulignés plus haut, permet diverses variantes intéressantes. C'est ainsi que le laser peut comprendre un moyen de récupé- ration de l'énergie résiduelle du faisceau d'électrons sortant de l'onduleur magnétique, ce moyen comprenant un décélérateur d'électrons constitué par une structure coaxiale à passages multiples analogues à ceux de l'accélérateur, le faisceau sortant de l'onduleur magnétique étant injecté dans ce déc6lérateur a.vec une condition de phase correspondant à une décéléra- tion. Cette structure décélératrice peut être distincte de La structure accélératrice ou confondue avec ceLle-ci. La structure accélératrice retenue selon l'invention permet également des modes de réalisation à anneau de stockage, l'onduleur étant placé dans l'un des bras de l'anneau. De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lectu- re de la description qui va suivre. Cette description porte sur des exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif et se réfère à des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1, déjà décrite, montre schémati- quement un laser à électrons libres selon l'art antérieur; - la figure 2 montre en coupe longitudinale une cavité coaxiale résonant selon Le mode fondamental; - la figure 3 montre une structure accéléra- trice en coupe transversale; - la figure 4 illustre une première variante du laser à électrons libres selon l'inven- tion, dite à faisceau perdu; - la figure 5 illustre une seconde variante à récupération d'énergie à deux structures, l'une accélératrice, l'autre décéléra- trice; - la figure 6 illustre un mode de réalisation avec récupération d'énergie mais à une seule structure accélératrice-décélératri- ce; - la figure 7 illustre un mode de réalisation avec récupération d'énergie -à une seule structure accéLératrice-décélératrice travaillant sur deux plans différents; - la figure 8 explicite une autre varian- te à anneau de stockage; - La figure 9 est un diagramme d'énergie pour une structure à anneau de stockage; - la figure 10 montre encore une autre variante à anneau de stockage entretenu par un accélérateur selon l'invention; - la figure 11 illustre un autre mode de réalisation à anneau de stockage entretenu par un-accélérateur selon l'invention. Les figures 2 et 3 permettent d'illustrer la structure et le fonctionnement de la structure accélératrice retenue par l'invention dans l'applica- tion aux lasers à électrons libres. Sur la figure 2, on voit une cavité coaxiale CC constituée par un conducteur cylindrique extérieur , un conducteur cylindrique intérieur 20 et deux flasques 31 et 32. Une telle cavité possède un axe A et un plan médian Pm, perpendiculaire à l'axe. Parmi tous les modes de résonance possibles d'une telle cavité, il en est un, dit fondamental, de type transverse électrique, pour Lequel le champ électrique E est purement radial dans le plan médian et décroît de part et d'autre de ce plan pour s'annuler sur les flasques 31, 32. Inversement, le champ magnétique est maximum le long des flasques et s'annule dans le plan médian en changeant de sens. Dans ce mode de résonance, la hauteur de la cavité est égale à X/2, si X est la longueur d'onde du champ électromagnétique établi dans la cavité. Il existe d'autres modes de résonance, pour lesquels il existe -non pas un mais n maxima de la composante radiale transverse (n>1). La hauteur de la cavité est alors égale à nX/2. On peut avoir par exemple deux plans o la composante radiale du champ électrique est maximale, avec une cavité de hauteur À, les deux plans étant distants de À/4, des deux tlasques. La cavité CC est alimentée par une source haute fréquence SHF par une boucle 34. Le faisceau d'électrons est injecté dans la cavité coaxiale dans un plan o le champ électrique radial est maximal. C'est en effet dans un tel plan qu'il n'existe aucun champ magnétique parasite 1U susceptible ae dévier le faisceau. Dans le cas d'une cavité résonant en À12, comme illustré sur la figure 2, le faisceau est injecté dans le plan médian référencé Pm. Mais on verra, en liaison avec la figure 7, un cas o la cavité résonne en À et o deux plans différents sont utilisés. La figure 3 montre, de façon schématique, un accélérateur complet. On y retrouve la source haute fréquence SHF, la source d'électrons K, une cavité coaxiale CC, formée d'un conducteur cylindrique exté- rieur 10 et d'un conducteur cylindrique intérieur et l'on voit en outre deux déflecteurs d'électrons Dl et D2. Le fonctionnement de ce dispositif est. le suivant. La source d'électrons K émet un faisceau d'électrons Fe dirigé dans un plan perpendiculaire à l'axe de la cavité coaxiale CC. Le faisceau pénètre dans la cavité par une ouverture 11. Il traverse la cavité selon un premier diamètre dl du conducteur extérieur. Le conducteur intérieur 20 est percé de deux ouvertures 21 et 22, diamétralement opposées. Le faisceau d'électrons est accéléré par le champ électrique si les conditions de phase et de fréquence sont satisfaites (le champ électrique doit rester de sens opposé à la vitesse des électrons). Le faisceau accéléré sort de la cavité par une ouverture 12 diamétralement opposée à l'ouverture 11. Il est ensuite défldchi par un déflecteur D1. Le faisceau est réintroduit dans la cavité coaxiale par une ouverture 13. Il emprunte alors un second diamètre d2 et subit dans la cavité une seconde accélération. Il ressort par l'ouverture 14. A sa sor.tie, le faisceau est à nouveau défléchi par un déflecteur D2 puis réintroduit dans la cavité par une ouverture 15. IL emprunte un troisième diamètre d3 et subit une troisième accélération, etc... Le caractère coaxial de la structure d'accélération entraîne que le champ électrique n'a pas la même direction dans la première et dans la seconde moitié du trajet emprunté par les électrons dans la cavité, autrement dit le long du rayon qui va du conducteur extérieur au conducteur intérieur, puis le long du rayon qui va du conducteur intérieur au conducteur extérieur. La variation spatiale du champ s'accompagne d'une variation temporelle puisque le champ possède une haute fréquence (quelques centaines de Mégahertz en pratique). Ces deux variations sont mises à profit en injectant le faisceau avec une condition de phase telle que le champ électrique s'annule au moment o les électrons traversent le conducteur central. Le temps mis par les électrons pour passer d'un conducteur à l'autre doit donc être inférieur à la demi-période du champ; le temps mis par les électrons pour traverser la tôtalité de la cavité est dont inférieur à la période du champ. Comme les électrons sonot animés de vitesses quasi-relativistes, on doit avoir d2/c d'onde du champ électromagnétique. Si l'on désigne par l la longueur du trajet emprunté par les électrons en dehors de la cavité, notamment dans le déflecteur, on doit avoir une condi- tion supplémentaire qui est: d2 + l = k o k est un entier. IL est souhaitable, pour réduire l'encombre- ment du dispositif, de prendre k=1. Mais dans certains cas particuliers, on pourrait être amené à choisir k=2. Pour qu'il y ait accélération des électrons et non décélération, il faut injecter le faisceau à un instant déterminé du cycle du champ électromagné- tique. En prenant pour phase de référence l'instant du cycle o le champ est maximum et en désignant par 0 le point du plan Pm situé sur l'axe A, la condition de phase impose que les électrons passent en 0 lorsque la phase du champ est égale à 3i/2 (à 2ki près), ce qui conduit à une accélération sur le rayon qui précède (le champ est airigé dans le sens opposé à la vitesse) et sur le rayon qui suit (o le champ, après s'être inversé, est encore opposé à la vitesse). En revanche, si les électrons passent en 0 lorsque la phase est égale à T/2 (à 2kr près), il y aura décélération tout au long de la traversée. Pour une phase égale à a, la traversée est neutre. La figure 4 montre un laser à électrons libres selon l'invention dans une variante dite "à faisceau perdu". Tel que représenté, le dispositif comprend une source d'électrons K, éventuellement un groupeur G, une structure accélératrice R dans laquelle le faisceau est accéléré selon 6 diamètres différents, un onduleur W et un absorbeur d'électrons A. Deux miroirs M1 et M2 constituent une cavité résonante. Les déflecteurs de faisceau à l'entrée et à la sortie de l'onduleur ne sont pas représentés. Une telle configuration présente plusieurs avantages: elle est bien adaptée à l'injection du faisceau dans une structure longue avec champ magnéti- que de guidage (axiaL ou héLicoldal); elle possède une grande souplesse de fonctionnement et de réglage des différents paramètres; elle est simple et de coût réduit. Cette configuration présente des inconvé- nients liés au fait que l'énergie du faisceau de sortie est perdue, ce qui entraîne un rendement médiocre et une émission de rayonnement X. Par ailleurs, l'intensité du faisceau d'électrons est limitée. Pour éviter ces inconvénients, l'invention prévoit des configurations à récupération d'énergie. Elles sont illustrées sur les-figures 5 et 6. Sur la figure 5 tout d'abord, l'installation comprend une seconde structure coaxiale R2, à passsages multiples identique à La structure R1, mais fonction- nant en décélération. Comme il a été expliqué plus haut, les éLec- - trons sont injectés dans la structure coaxiale R1 de manière qu'ils passent au centre 01 Lorsque le champ a une phase égale à 311/2 +(2k0). Dans la structure coaxiale R2, ils doivent passer au centre 02 avec une phase égale à I/2+(2k'7). Il est donc nécessaire que les deux cavités R1 et R2 soient alimentées en synchronisme de fréquence et de phase et que le déphasage du champ entre les instants o le faisceau, passe une dernière fois par 01 et une première fois par 02 soit de 3 i - 1/2 = T (à 2k"r près). La longueur L du trajet parcouru par les électrons entre 01 et 02 à travers l'onduleur doit donc être telle que 2rF.L/v=(2k"+1)1, o v est la vitesse des électrons, et F est la fréquence soit L=v(2k"+1)/2F. Dans le mode de réalisation ae La figure 6, c'est la même structure coaxiale R qui sert. d'accé- lérateur et de aécéLérateur, ce double effet étant obtenu en jouant sur les instants d'injection des- électrons dans la cavité: 3/2 (ou -7/2) pour l'ac- célération et I/2 pour la adécélération. La longueur L de la boucle parcourue par les électrons reste défi- nie par la relation précédente. Naturellement, l'intérêt de récupérer l'éner- gie pour améliorer le rendement du laser n'est réel que si l'énergie du faisceau est élevée par rapport à l'énergie perdue par effet Joule dans les parois de la cavité coaxiale. C'est le cas des cavités à très haut coefficient de surtension, et notamment pour les cavités supraconductrices, qu'on pourra utili- ser avantageusement dans l'invention. Mais l'intérêt est certain dès lors qu'on se soucie de réduire le rayonnement X lié à l'absorp-- tion du faisceau électronique de sortie. Dans la variante de la figure 5, il est nécessaire d'accorder les deux cavités en fréquence et de prévoir un couplage entre la cavité décélératrice et la cavité accélératrice pour réinjecter la puissance récupérée de la première vers la seconde. Mais ce couplage modifie les fréquences ae résonance, l'ensem- ble des cavités couplées résonant alors sur deux fré- quences écartées d'une quantité qui dépend du couplage. Pour ces raisons, on peut préférer la variante de la figure 6, à une seule cavité. Un mode de réalisation possible à une cavité, travaillant à la fois en accélérateur et en décéléra- teur, est représenté sur la figure 7. La cavité coaxiale résonne en À et présente donc deux plans 1 1 P1 et'P2 pour lesquels Le champ électrique est purement radial et d'amplitude maximale (ou, ce qui revient au même, deux plans o il n'existe aucun champ magnéti- que parasite déviateur). Ces plans sont situés à + H/4 du plan médian si H désigne la hauteur de la cavi- té, égale à L alongueur d'onde À. Le plan P1 est utilisé en accélération (une seule traversée est représentée mais en pratique, ilt peut y en avoir plusieurs), et le plan P2 en décé- lération, la différence étant obtenue comme déjà expli- qué, en jouant sur l'instant d'introduction du faisceau par rapport à la phase du champ établi dans la cavité. La solution de la figure 7 présente également l'avantage de réduire d'un facteur 2 les pertes par effet Joule. Selon un autre mode de réalisation prévu par l'invention, la structure coaxiale accélératrice peut être combinée avec un anneau de stockage de type connu, conformément à la figure 8. Sur cette figure, deux déflecteurs magnétiques D et D' imposent une induction et assurent la déflexion du faisceau d'éLec- trons selon des trajectoires en arcs de cercLe dont le rayon dépend de l'énergie des électrons. Ce rayon r est donné par r mv IqIB o m est la masse de l'électron (compte tenu des effets relativistes), q sa charge et B l'induction magnétique. La longueur des deux trajectoires semi-circu- laires est donc égale à 2 rmv IqlB à laquelle il faut ajouter la longueur 2L des deux bras rectilignes soit L= 2l+ 2Tmv iqlB On peut définir des trajectoires "résonantes" lorsque la longueur L est un multiple de la longueur d'onde À du champ établi dans la cavité, soit L=hÀ. Des électrons lancés sur une trajectoire résonante passeront au centre de la cavité à des instants corres- pondant toujours à 'la même phase du champ, c'est-à-di- re, en pratique, à un déphasage égal à 7/2, à un multi- ple de 2s près. La figure 8 montre aussi quelques trajectoi- res résonantes pour h égal respectivement à 3, 4, et 6. Sur la figure 9 a été tracée une courbe o l'on voit le nombre h en ordonnées et, en abscisses L'énergie E (en MeV), ou, ce qui revient au même, un coefficient égal à m/mo o mo est la masse au repos de l'électron et m la masse à sa vitesse réelle. La branche verticale correspond au cas o les effets relativistes sont négligeables ( =1) et la branche inclinée au cas o les effets relativistes sont domi- nants. Cette courbe correspond au cas o la fréquen- ce du champ est ae 180 MHz, l'induction B de 10-2 Tesla et la longueur I des bras rectilignes de lm. Dans cette configuration, la cavité coaxiale accélératrice joue pleinement son rôLe si l'accéLéra- tion est telle que l'électron passe d'une orbite réso- nante d'ordre h à une orbite résonante d'ordre h' supérieure à h (par exemple h'=h+l). Cette condition peut être obtenue en jouant sur l'instant d'injection et sur l'amplitude du champ HF. Dans certains cas, on pourra utiliser des trajectoires à énergie constante, la structure coaxiale n'accélérant ni ne décéLérant les électrons la traver- sant. La condition sur l'injection du faisceau est que celui-ci passe au centre de la cavité lorsque - 2650448 le champ à une phase égaLe à + - (ou O). On obtient alors une trajectoire d'énergie stationnaire. On peut montrer que ces trajectoires sont stables pour une phase + T (c'est-à-dire qu'une légère perturbation de la phase autour de + iT se traduit par un effet qui s'oppose à cette perturbation et ramène la phase -à la phase correcte) et instable pour la phase O. De manière généralt, La plage de phase dans laquelle la stabilité est assurée va de Â/2 à 37/2, avec accélération au voisinage de 31/2 et décélération au voisinage de T/2. Comme l'énergie des électrons dépend de la phase à laquelle ils sont injectés, il correspond à cette plage de phase une plage d'énergie o la stabilité est assurée. Les figures 10 et 11 montrent la structure complète d'un laser à électrons libres avec une source d'électrons K, un groupeur G, une cavité coaxiale d'accélération, un onduleur W, deux miroirs M1 et M2 et un conduit magnétique CM permettant l'injection dans l'anneau de stockage AS de manière tangentielle. Ce conduit magnétique peut être constitué d'un tube en métal ferromagnétique jo-uant le rôle de blindage. Les électrons dans l'anneau de stockage peuvent aussi circuler dans ce tube sans subir Les effets du champ déflecteur de l'aimant d'injection AI. La figure 10 correspond au cas o sont effec- tués aeux passages accélérateurs dans la cavité R et un passage neutre pour L'entretien sur l'anneau de stockage. La figure 11 correspond à cinq passages accélérateurs et un passage neutre. Le nombre de passa- ges accélérateurs dépend de L'énergie souhai'tée pour le faisceau d'électrons afin de satisfaire aux condi- tions d'accord dans l'onduleur. On peut ajouter au dispositif une lentille magnétique par exemple quadrupolaire Q, pour rattraper les écarts éventuels de trajectoires et faire converger Les électrons vers le centre de la structure coaxiale R. 2U 3O REVENDICATIONS 1.. Laser. à électrons libres comprenant une source d'électrons (K), un accélérateur d'électrons alimenté par cette source et fournissant un faisceau d'électrons, un onduleur magnétique (W) traversé par le faisceau d'électrons et des miroirs- (M1, M2) de part et d'autre de l'onduleur, caractérisé par le fait que l'accélérateur d'électrons (R) est constitué par une structure coaxiale comprenant une cavité coaxiale (CC) formée d'un conducteur extérieur (10) et d'un conducteur intérieur (20), une source haute fréquence (SHF) alimentant la cavité (CC) en champ électromagnétique à une fréquence de résonance de la cavité, la composante radiale du champ (E) présentant un maximum dans au moins un. plan (P) perpendiculaire à l'axe, les conducteurs extérieur (10) et intérieur (20) de la cavité (CC) étant percés d'ouvertures diamétralement opposées (11, 12, 13, 14 1, 15,16) situées dans lé plan (P) pour l'introduction du faisceau d'électrons dans la cavité et son extraction dans ce plan, L.ccélérateur comprenant en outre au moins un déflecteur d'électrons (D1, D2) apte à dévier le faisceau ayant traversé la cavité seton un diamètre tout en le gardant dans le plan et à le réinjecter dans la cavité selon un autre diamètre. 2. Laser à électrons libres selon la revendi- cation 1, caractérisé par le fait qu'il comprend un -moyen de récupération de l'énergie résiduelle du fais- ceau d'électrons sortant de l'onduleur magnétique, ce moyen étant constitué par un décélérateur d'élec-. trons (R, R2) constitué par une structure coaxiale et des déflecteurs analogues à ceux de l'accélérateur, le faisceau sortant de l'onduleur magnétique étant injecté dans ce décélérateur avec une condition de phase correspondant à une décélération. 3. Laser à électrons libres selon la revendi- cation 2, caractérisé par le fait que le décéLérateur (R2) est distinct de l'accéLérateur (R). 4. Laser à électrons libres selon la revendi- cation 2, caractérisé par le fait que le décélérateur est confondu avec l'accélérateur (R). 5. Laser- à électrons libres, selon la reven- dication 4, caractérisé en ce que la cavité coaxiale (CC) est alimentée en champ électromagnétique à unie fréquence correspondant à un mode de résonance présentant deux plans (P1, P2) o la composante radiale du champ électrique est maximale, la source d'électrons (K) délivrant un faisceau d'électrons injecté dans la cavité dans l'un de ces plans (P1) avec une condition de phase correspondant à des accélérations successives selon différents diamètres (dl, d2) tous situés dans ce plan, le faisceau d'électrons issu oe l'onduleur (W) étant injecté dans la même cavité (CC) dans l'autre de ces plans (P2)' avec une condition de phase correspondant à des décélérations successives. ô. Laser à électrons libres selon la revendi- cation 1, caractérisé par le fait qu'il comprend un anneau de stockage des électrons entre une ouverture de sortie de la cavité coaxiale et une ouverture d'en- trée de la cavité coaxiale, cet anneau comprenant deux branches rectilignes et deux branches en arcs de cercle, l'onduleur étant disposé sur l'une des branches rectilignes de l'anneau. 7. Laser à électrôns libres selon la revendi- cation 1, caractérisé par le fait que les électrons venant de l'anneau de stockage traversent la cavité (CC) avec une condition de phase correspondant à un régime neutre, sans accélération ni décélération.