Brevet FR2954666A1 — publié le 20110624

SOURCE COMPACTE DE GENERATION DE PARTICULES PORTANT UNE CHARGE L'objet de la présente invention concerne un dispositif et un procédé permettant de fournir une source d'électrons compacte. Elle peut aussi être utilisée pour la production de particules portant une charge, telles que des ions, par exemple des ions H+. Les accélérateurs linéaires de particules peuvent utiliser un champ électromagnétique accélérateur de type radiofréquence. Ces accélérateurs fonctionnent avec tout type de particules chargées mais ont en commun la nécessité de fournir à l'accélérateur de très fortes puissances radiofréquences provenant en général d'un tube électronique tel qu'un klystron ou un magnétron. Ce tube de puissance fonctionne en impulsionnel, alimenté par des impulsions rectangulaires de tension pouvant atteindre plusieurs centaines de kV. Le plat de l'impulsion est en effet nécessaire pour éviter une dérive en puissance du tube voire un changement de mode. Divers dispositifs sont nécessaires entre le modulateur du tube et l'accélérateur linéaire pour effectuer une adaptation correcte : • Le tube radiofréquence lui-même qui transforme l'impulsion de tension en puissance radiofréquence, • La synchronisation des impulsions tube et accélérateur, • La fenêtre de sortie du tube qui permet la transition entre le vide interne au tube et la sortie en général sous air ou du gaz SF6, • Les guides radiofréquence ou RF qui transportent la puissance vers l'accélérateur linéaire. L'idée de la présente invention repose notamment sur l'intégration dans une enceinte commune et mise sous vide, d'une source radiofréquence et d'une partie accélérateur des particules, avec une alimentation impulsionnelle commune entre la partie radiofréquence et la partie accélérateur pour fournir la puissance RF haute tension nécessaire à l'accélérateur. L'invention concerne un dispositif compact pour générer des particules porteuses d'une charge caractérisé en ce qu'il comporte au moins les éléments suivants disposés dans une enceinte unique mise sous vide grâce à un système de mise sous vide: une première partie accélérateur de particules chargées comprenant un premier moyen de génération des particules accélérées dans une partie accélérateur, ladite partie accélérateur de particules étant alimentée en puissance haute tension HF grâce à la ~o puissance générée par une deuxième partie composée d'au moins un deuxième moyen de génération de paquets de particules qui génère la puissance HF différente de celle produite par la modulation de vitesse des particules. Les particules chargées sont, par exemple, des électrons et ladite 15 enceinte comporte au moins les éléments suivants : • un support cathode recevant une première cathode utilisée pour la partie accélérateur et une deuxième cathode faisant partie du tube générateur de puissance, • pour la partie accélérateur du dispositif, une structure accélératrice 20 comportant un ensemble de cavités disposées en série les unes aux autres, ladite structure accélératrice recevant une puissance RF de la partie tube produite par les électrons arrachés de la deuxième cathode passant dans une première cavité, qui produit une première modulation de vitesse, générant des paquets d'électrons qui vont 25 interagir avec une deuxième cavité ou cavité d'extraction agissant comme un résonateur produisant la puissance HF qui va alimenter les cavités disposées en série via une liaison physique adaptée. Une cathode peut être une cathode thermo-ionique alimentée par un file thermique, ou encore une cathode à base de nanotubes 30 Le système de mise sous vide est, par exemple, composé d'une première pompe pour le vide primaire et d'une seconde pompe pour le vide secondaire, le vide produit étant commun pour les deux parties disposées dans l'enceinte. Le dispositif selon l'invention est, par exemple, utilisé dans un système comportant un guide disposé en sortie de la structure des cavités permettant de diriger le faisceau produit sur un produit ou une partie à traiter et en ce qu'il comporte un module de déviation du faisceau des particules ainsi qu'un collecteur desdites particules. Le dispositif peut aussi être utilisé pour la génération des ions H+, des protons. D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre illustratif et nullement limitatif annexé de l'unique figure 1 qui représente un exemple d'architecture de dispositif compact selon l'invention La figure 1 décrit un exemple de source compacte d'électrons selon l'invention. Le dispositif selon l'invention comporte une enceinte 1 en liaison avec un système de mise sous vide composé par exemple d'une première pompe 21 faisant le vide primaire et d'une deuxième pompe 22 pour le vide secondaire. L'enceinte 1 mise sous vide est reliée à la masse ou à la terre par un dispositif approprié 3. Un modulateur 4 qui fournit la haute tension au dispositif. Une partie isolante 5 réalise la séparation entre le modulateur 4 haute tension et la mise à la masse de l'enceinte. L'enceinte comporte aussi un dispositif de refroidissement avec contrôle de température non représenté pour des raisons de simplification. Un support cathode 6 va recevoir une première cathode 7 utilisée pour la partie accélérateur et une deuxième cathode 8 faisant partie du tube. Pour la partie accélérateur du dispositif, une structure accélératrice 9 est constituée, par exemple, d'un ensemble de cavités 9i disposées en série les unes aux autres. D'autres dispositifs tels que espace de glissement, aimant de focalisation peuvent également être nécessaire au bon conditionnement des électrons pour qu'ils puissent être accélérés de façon optimale. Cette structure va recevoir une puissance RF afin de permettre l'accélération des électrons arrachés de la deuxième cathode 8. Les électrons se propagent selon un axe Al. En sortie de la structure accélératrice, un guide 10 permet d'amener le faisceau des électrons ainsi créé vers une cible ou un objet 11. Le faisceau d'électrons après interaction avec cet objet 11 est par exemple dévié par un moyen approprié 12 et collecté par un collecteur 13 ayant une structure connue de l'Homme du métier. La RF haute tension fournie à la structure comme il est décrit ci-après va accélérer les électrons dans les cavités. Un module 14 alimenté en haute tension est disposé entre la cathode 7 et l'entrée E9 de la cavité pour améliorer la qualité du faisceau. Ce module a notamment pour fonction d'éviter un éclatement du faisceau d'électrons produit par la cathode 7, il préaccélère les électrons avant que ces derniers ne pénètrent dans les cavités accélératrices. Le faisceau d'électrons est soumis à de forts gradients d'accélération au niveau du canon afin de l'amener à des énergies relativistes où les effets de charges d'espace sont atténués. La partie du tube comprend une cathode 8 qui fournit les électrons qui vont passer, dans cet exemple de mise en oeuvre dans une première cavité 20, qui produit une première modulation de vitesse, la dispersion de vitesse des électrons se traduisant après l'espace de glissement par une augmentation de l'intensité du faisceau due à la mise en paquets des électrons. Ces paquets d'électrons se propagent selon un axe A2 et vont interagir avec une (ou plusieurs) cavité d'extraction 21, dont la (ou les positions) sont optimisé pour une extraction maximale de puissance, la cavité agissant comme un résonateur excité par les paquets successifs d'électrons q. La cavité 21 va donc osciller au rythme du passage des paquets d'électrons. La cavité mise en résonnance produit la puissance HF qui s'accroit au fur et à mesure, en prélevant l'énergie aux paquets d'électrons. Cette puissance HF est en phase avec l'oscillation créée au départ. Une partie de cette puissance HF va alimenter les cavités disposées en série via une liaison physique adaptée 23. La puissance du faisceau d'électrons, non utilisée au cours de l'interaction peut être recueillie par un dispositif de collecte 24. Un tel dispositif peut le cas échéant utiliser la technique des collecteurs dépressés c'est-à-dire un collecteur réalisé en plusieurs tronçons portés à des tensions différentes pour améliorer le rendement de l'ensemble. Sans sortir du cadre de l'invention, d'autres variantes de mise en oeuvre du dispositif peuvent être réalisées. Un exemple d'implémentation peut être d'utiliser une structure de type klystron pour le tube radiofréquence intégré. Le principe du klystron est de transformer une modulation de vitesse du faisceau d'électrons obtenu par une cavité de modulation en une modulation d'intensité qui permet la mise en résonnance de la cavité d'extraction à travers un espace de glissement qui peut être dans certains cas long pour les très fortes tensions car les électrons rapides mettent plus longtemps pour rattraper les électrons de plus faibles vitesses, l'écart de vitesse devenant faible pour des électrons fortement énergétiques. La production de la puissance HF peut être obtenue par d'autres moyens que la modulation de vitesse des électrons proposée en fonctionnement nominal du dispositif. Il est possible alors de réaliser une modulation directe d'intensité temps pour la partie source et pour la partie accélérateur en utilisant un principe de modulation directe connue d'un Homme du métier et décrit par exemple dans le brevet US 5 506 473. Ainsi, au lieu d'utiliser une modulation en vitesse des électrons produite par la présence des cavités 21, 22 il est aussi possible d'utiliser la 30 modulation d'intensité des électrons. Les cavités peuvent être remplacées par un battement f, 3f pour obtenir directement les paquets d'électrons pour la source RF, une postaccélération continue par application d'un champ continu DC des paquets groupés suffisant avant l'extraction. Les première et deuxième cathodes 7, 8 peuvent être constituées d'une cathode thermo-ionique activée par un filament thermique. Les cathodes 7, 8 peuvent aussi être des cathodes à base de nanotubes qui présentent notamment comme avantage d'être très compactes et de fournir des densités de courant importantes. Les différents éléments constituant l'invention sont connectés via des moyens appropriés pour les technologies sous vide. Ainsi, la mise en place des éléments pourra faire appel à des brides adaptées et des vannes permettant la déconnection de tronçons afin de simplifier la maintenance par exemple. La transition haute tension apte à assurer la transition air/vide et à conserver un bon isolement en impulsionnel à plusieurs centaines de kV devient aussi commune pour le tube radio fréquence et pour l'accélérateur. L'invention décrite précédemment peut s'appliquer de manière générale pour la génération de particules chargées ou portant une charge. Les protons sont par exemple générés à partir d'un dispositif basé sur le plasma, tel qu'un magnétron. Les ions H+ peuvent être générés avec un magnétron consistant en une cathode centrale cylindrique entourée par une anode. La tension de décharge est généralement supérieure à 150V et le courant de drain de l'ordre de 40 A. Un champ magnétique de l'ordre de 0.2 tesla est parallèle à l'axe de la cathode. Le gaz hydrogène utilisé est introduit par une valve pulsée. Le dispositif selon l'invention offre un accélérateur de particules compact dans lequel l'alimentation impulsionnelle est commune entre la partie tube radiofréquence intégré à l'accélérateur linéaire pour fournir la puissance RF et le canon de l'accélérateur puisque toutes les deux nécessitent des tensions de plusieurs centaines de kV pour fonctionner avec les meilleures performances. Le dispositif selon l'invention présente notamment comme avantage de ne pas utiliser de fenêtre de sortie habituellement employée lorsque le tube et la partie accélératrice sont disjoints. Dans la présente invention, le vide est commun pour le tube radiofréquence intégré et l'accélérateur de particules. II en est de même des circuits de refroidissement et le cas échéant des structures de focalisation qui peuvent être également communes. Le fait d'utiliser des technologies de mise sous vide des accélérateurs (emploi de brides pour connecter les diverses parties du système au lieu des technologies scellées des tubes classiques) permet une meilleure facilité d'évolution et une meilleure maintenabilité. La simplification de l'architecture va dans le sens de la réduction des coûts et vers une meilleure compacité de l'ensemble. Les structures de cavités RF étant naturellement accordées à la même fréquence, en supposant des structures du même type pour les deux fonctions (tube et accélérateur) et un même circuit de refroidissement, les dérives en température et donc en fréquence, sont sensiblement identiques. Ceci permet de maintenir un bon fonctionnement de l'ensemble sans nécessiter un contrôle trop précis de la température. REVENDICATIONS1 ù Dispositif compact pour générer des particules porteuses d'une charge caractérisé en ce qu'il comporte au moins les éléments suivants disposés dans une enceinte unique mise sous vide grâce à un système de mise sous vide (2) :une première partie accélérateur de particules chargées comprenant un premier moyen (7) de génération des particules accélérées dans une partie accélérateur (9), ladite partie accélérateur de particules étant alimentée (23) en puissance haute tension HF grâce à la puissance générée par une deuxième partie composée d'au moins un deuxième moyen de génération (8, 20, 21) de paquets de particules qui génère la puissance HF différente de celle produite par la modulation de vitesse des particules. 2 ù Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les particules chargées sont des électrons et en ce que ladite enceinte (1) comporte au moins les éléments suivants : • un support cathode (6) recevant une première cathode (7) utilisée pour la partie accélérateur et une deuxième cathode (8) faisant partie 20 du tube générateur de puissance, • pour la partie accélérateur du dispositif, une structure accélératrice (9) comportant un ensemble de cavités (91, 92, ..) disposées en série les unes aux autres, ladite structure accélératrice (9) recevant une puissance RF de la partie tube produite par les électrons arrachés de 25 la cathode (8) passant dans une première cavité 20, qui produit une première modulation de vitesse, générant des paquets d'électrons qui vont interagir avec une deuxième cavité ou cavité d'extraction (21) agissant comme un résonateur produisant la puissance HF qui va alimenter les cavités disposées en série via une liaison physique 30 adaptée (23). 3 ù Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'une cathode (7, 8) est une cathode thermo-ionique alimentée par un filament thermique. 4 ù Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'une cathode (7, 8) est à base de nanotubes. 5 ù Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que le système de mise sous vide est composé d'une première pompe io (21) pour le vide primaire et d'une seconde pompe (22) pour le vide secondaire, le vide produit étant commun pour les deux parties disposées dans l'enceinte. 6 ù Utilisation du dispositif selon la revendication 1 pour la 15 génération des ions H+, des protons.