Brevet FR3036232A1 — publié le 20161118

DISPOSITIF D'ACCORD POUR CAVITE ACCELERATRICE RADIO FREQUENCE DOMAINE TECHNIQUE Le domaine de l'invention est celui des dispositifs d'accord pour cavité accélératrice radio fréquence, également appelée cavités RFQ pour « radio frequency quadrupole ». ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEUR Les accélérateurs de particules utilisent des cavités accélératrices radio fréquence, également appelées cavités RFQ (Radio Frequency Quadrupole). Ces cavités sont généralement placées en sortie des lignes « basse énergie » qui conduisent les faisceaux continus issus des sources de particules jusqu'à la cavité RFQ. Le rôle d'une cavité RFQ est de focaliser le faisceau de particules et de regrouper les particules du faisceau en paquets, tout en commençant à les accélérer, afin de pouvoir ensuite les injecter dans un accélérateur linéaire supraconducteur. La cavité RFQ est généralement composée de plusieurs tronçons de cuivre. Ces tronçons sont usinés et assemblés, par brasage ou mécaniquement. Elles sont composées de quatre pôles usinés avec une ondulation modulée. La tolérance générale de fabrication de ces cavités est de l'ordre de 50 ilm. Les ondes radio fréquences injectées dans la cavité génèrent : - un champ électrique qui accélère et met en paquet le faisceau et - un champ magnétique qui focalise les particules. Ces phénomènes dépendent de la fréquence et de la loi de tension, qui eux-mêmes dépendent de la géométrie de la cavité. Le faisceau de particules en particulier est très sensible aux variations de fréquences et de la loi de tension dues aux imprécisions mécaniques lors de la fabrication de la cavité. 3036232 2 Pour compenser ces imprécisions mécaniques, on enfonce plusieurs pistons d'accord répartis longitudinalement dans la cavité. Ces pistons d'accord sont également appelés « dispositifs d'accord ». Ces dispositifs d'accord ont pour but de modifier le volume interne de la cavité en s'enfonçant plus ou moins à l'intérieur, ce 5 qui a pour effet de corriger les défauts mécanique de la cavité. La figure 1 représente un dispositif d'accord 1 de l'art antérieur. Ce dispositif d'accord 1 comporte une bride d'entrée 2 dans laquelle vient coulisser un piston 3. Le piston 3 comporte un nez de piston 4 et une bride d'étanchéité 6. Le volume de la 10 cavité est modifié en modifiant la longueur L1 du nez de piston 4 inséré dans la cavité. La longueur L1 du nez de piston 4 inséré dans la cavité est choisie en insérant une cale 5 de hauteur H1 choisie entre la bride d'étanchéité 6 du piston et la bride d'entrée 2. 15 Un tel dispositif d'accord doit impérativement être étanche car la cavité en fonctionnement est placée sous un vide de l'ordre de 10-7 mbar. Pour cela, un premier joint 7 est placé entre la bride d'étanchéité 6 du piston et la cale 5, tandis qu'un second joint est placé entre la cale 5 et la bride d'entrée 2. 20 Le procédé d'accord de la cavité utilisant un tel dispositif d'accord est complexe. En effet, il comporte tout d'abord une étape de détermination de la hauteur H1 de la cale 5 à insérer entre la collerette du piston et la bride d'entrée. Pour cela, il faut tout d'abord déterminer la longueur L1 du nez de piston à insérer dans la cavité. Cette 25 longueur L1 est déterminée grâce à un dispositif d'accord intermédiaire 1' représenté sur la figure 2. Ce dispositif d'accord intermédiaire 1' comporte également une bride d'entrée 2' et un piston 3'. La bride d'entrée 2' est fixe, tandis que l'écrou 5' est pourvu d'un filetage, ce qui permet de déplacer le piston 3' par rapport à la bride d'entrée 2' de façon à modifier la longueur L1' du nez de piston inséré dans la cavité. 30 La longueur L1' optimale du nez de piston 4 inséré dans la cavité est déterminée expérimentalement en plaçant la cavité à pression atmosphérique, à faible puissance et à bas niveau radio fréquence. 3036232 3 Une fois que cette longueur L1' est déterminée, on démonte le dispositif d'accord intermédiaire 1', qui ne peut pas rester en place puisqu'il n'est pas étanche du fait de la présence du filetage et du filetage complémentaire. On mesure ensuite la longueur 5 L1' et on en déduit la hauteur de la cale H1 qu'il faut utiliser pour avoir une longueur L1 égale à la longueur L1'. La cale est ensuite usinée et le dispositif d'accord définitif est mis en place dans la cavité. On effectue ensuite une mesure radio fréquence avec le dispositif d'accord définitif lo pour vérifier si l'accord est correct. Si ce n'est pas le cas, il faut ré-usiner les cales. Le procédé d'accord d'une cavité utilisant les dispositifs d'accord de l'art antérieur est donc long et complexe. 15 EXPOSE DE L'INVENTION L'invention vise à remédier aux inconvénients de l'état de la technique en proposant un dispositif d'accord permettant de simplifier le procédé d'accord de la cavité, tout en présentant les mêmes garanties en terme d'étanchéité que les dispositifs d'accord 20 de l'art antérieur. Pour ce faire, est proposé selon un premier aspect de l'invention, un dispositif d'accord pour une cavité accélératrice radiofréquence comportant : - une bride d'entrée comportant : 25 o un écrou; o une bride d'étanchéité agencée pour être fixée de manière étanche sur une paroi extérieure de la cavité; o une paroi transversale située entre l'écrou et la bride d'étanchéité; 30 - un piston comportant : o un nez de piston destiné être inséré dans la cavité; o une tige de piston pourvue d'une partie filetée vissée dans l'écrou de la bride d'entrée; 3036232 4 un soufflet entourant la tige de piston, le soufflet étant entouré par la bride d'étanchéité de la bride d'entrée, le soufflet comportant : o une première extrémité fixée de manière étanche au nez de piston; 5 o une deuxième extrémité fixée de manière étanche à la paroi transversale de la bride d'entrée. Le dispositif selon le premier aspect de l'invention est particulièrement avantageux puisqu'il présente l'avantage d'avoir un nez de piston dont la longueur insérée dans 10 la cavité est réglable, tout en étant étanche. Pour cela, la partie filetée de la tige de piston est vissé dans l'écrou de la bride d'entrée, ce qui permet de régler la longueur du nez de piston inséré dans la cavité. Le soufflet permet d'assurer l'étanchéité du dispositif en isolant les parties filetées du dispositif des parties en communication fluidique avec la cavité. Ainsi, les parties filetées sont en communication avec 15 l'intérieur du soufflet, tandis que les parties en communication fluidique avec l'intérieur de la cavité sont situées à l'extérieur du soufflet. La zone du dispositif à l'extérieur du soufflet peut donc être à la même pression que l'intérieur de la cavité, même si la zone du dispositif à l'intérieur du soufflet se trouve à pression atmosphérique. En outre, le soufflet est deformable longitudinalement, de sorte qu'il 20 tolère les mouvements longitudinaux du piston par rapport à la bride d'entrée. Le dispositif d'accord selon le premier aspect de l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-après prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles. 25 Selon un mode de réalisation, le dispositif d'accord présente une symétrie de révolution autour de la tige de piston, ce qui permet de répartir les efforts exercés sur le dispositif. 30 Selon un mode de réalisation, le dispositif d'accord comporte au moins deux vis de blocage agencées pour bloquer la rotation de la tige de piston par rapport à la bride d'entrée, ce qui permet d'immobiliser le piston en translation par rapport à la bride d'entrée. 3036232 5 Selon un mode de réalisation, la tige de piston est percée par une ouverture longitudinale apte à être parcourue par un fluide de refroidissement, ce qui permet de refroidir le piston de façon à ce qu'il soit à la même température que l'intérieur de la 5 cavité. Selon un mode de réalisation, le nez de piston comporte : - une jupe d'extrémité entourant la première extrémité du soufflet ; - une paroi transversale reliant la jupe d'extrémité à la tige de piston, la 10 première extrémité du soufflet étant fixée à la paroi transversale du nez de piston. Ainsi, le nez de piston est creux, ce qui permet d'avoir un dispositif d'accord plus compact. 15 Selon un mode de réalisation, la paroi transversale du nez de piston est pourvue d'un anneau en saillie longitudinale, la première extrémité du soufflet étant fixée sur l'anneau. Cet anneau permet de faciliter la fixation du soufflet sur le nez de piston. Selon un mode de réalisation, le nez de piston comporte une paroi extérieure 20 pourvue d'une rainure, un joint conducteur électriquement étant inséré dans la rainure de manière à être en contact à la fois avec le nez de piston et avec la bride d'entrée. Ce joint permet d'éviter que les ondes radio fréquences présentes dans la cavité ne pénètrent dans le dispositif d'accord au-delà de ce joint. Ainsi, la partie du nez de piston qui permet d'accorder la cavité est délimitée par ce joint. 25 Avantageusement, la deuxième extrémité du soufflet est fixée à la bride d'entrée par une soudure, la première extrémité du soufflet étant fixée au nez de piston par une soudure. Le soufflet est ainsi fixé de manière étanche à la bride d'entrée d'une part et au piston d'autre part. 30 Avantageusement, la bride d'étanchéité de la bride d'entrée est percée par une gorge annulaire dans laquelle est inséré un joint d'étanchéité, ce qui permet d'assurer l'étanchéité entre la paroi extérieure de la cavité et la bride d'entrée. 3036232 6 Selon un mode de réalisation, le dispositif comporte : - des moyens de mesure de l'onde radio fréquence dans la cavité ; - des moyens de commande aptes à commander la translation du piston par 5 rapport à la bride d'entrée. On peut ainsi commander automatiquement la position du nez de piston en fonction de la mesure de l'onde radio fréquence dans la cavité. Ces moyens de mesure de l'onde radiofréquence pourraient par exemple être des 10 boucles de mesure configurées pour mesurer le champ électromagnétique présent dans la cavité. Un deuxième aspect de l'invention concerne une cavité accélératrice radiofréquence comportant au moins un dispositif d'accord selon le premier aspect de l'invention, la 15 bride d'étanchéité de la bride d'entrée du dispositif étant fixée de manière étanche sur une paroi extérieure de la cavité, le nez de piston du dispositif étant inséré dans une ouverture de la cavité. BREVES DESCRIPTION DES FIGURES 20 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description détaillée qui suit, en référence aux figures annexées, qui représentent : - La figure 1, une vue en coupe d'un dispositif d'accord selon de l'art antérieur ; - La figure 2, une vue en coupe d'un dispositif d'accord intermédiaire de l'art antérieur ; 25 - La figure 3, une vue en coupe d'un dispositif d'accord selon un mode de réalisation de l'invention ; - La figure 4, une vue en perspective du dispositif de la figure 3. DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION 30 Un dispositif d'accord selon un mode de réalisation de l'invention va maintenant être décrit en référence aux figures 3 et 4. 3036232 7 Le dispositif d'accord 1 comporte une bride d'entrée 10. La bride d'entrée 10 comporte une paroi tubulaire 15 présentant une extrémité inférieure 16 et une extrémité supérieure 17. 5 La bride d'entrée 10 comporte également une bride d'étanchéité 11 faisant saillie radialement de l'extrémité inférieure 16 de la paroi tubulaire 15. La bride d'étanchéité 11 est destinée à venir en contact avec une paroi extérieure 12 de la cavité 13 à accorder. La bride d'étanchéité 11 est percée par des orifices 14 permettant de fixer la bride d'étanchéité 11 sur la paroi extérieure 12 de la cavité 13 grâce à des vis. La 10 bride d'étanchéité 11 comporte également de préférence une gorge annulaire 41 dans lequel peut être inséré un joint 42 permettant de rendre étanche le contact entre la bride d'étanchéité 11 et la paroi extérieure 12 de la cavité. La bride d'entrée comporte également une paroi transversale 18 qui ferme l'extrémité 15 supérieure 17 de la paroi tubulaire 15. La paroi transversale 18 de la bride d'entrée 10 est percée, de préférence en son centre, par un orifice 19 entourée par une jupe annulaire 20. La jupe annulaire 20 et la paroi tubulaire 15 sont de préférence concentriques. Comme représenté sur les 20 figures 3 et 4, la jupe annulaire 20 peut faire saillie longitudinalement de l'orifice 19. La bride d'entrée 10 comporte également un écrou 50 percé par un orifice 51. L'écrou 50 est pourvu d'une paroi intérieure filetée 52. La paroi intérieure filetée 52 de l'écrou 50 entoure l'orifice 51 de l'écrou. L'écrou 50 est solidaire de la jupe 25 annulaire 20. Selon différents modes de réalisation, l'écrou 50 et la jupe annulaire 20 peuvent être deux pièces distinctes solidarisées, par exemple par des vis pour permettre un réglage si nécessaire. Le dispositif d'accord comporte également un piston 21. Le piston 21 s'étend suivant 30 un axe de référence 22. Le dispositif d'accord présente de préférence une symétrie de révolution par rapport à l'axe de référence 22 ce qui permet de répartir les efforts. Le piston 21 comporte une tige de piston 23 insérée dans l'orifice 19 de la jupe 3036232 8 annulaire 20 et dans l'orifice 51 de l'écrou 50. La tige de piston 23 est pourvue d'une partie filetée 26 vissée dans l'écrou 50 de la bride d'entrée 10. En vissant plus ou moins la partie filetée 26 du piston dans l'écrou 50, on peut translater le piston par rapport à la bride d'entrée. La tige de piston 23 comporte en outre de préférence une 5 partie lisse 53 insérée dans la jupe annulaire 20 de la bride d'entrée. Cette partie lisse 53 de la tige de piston est apte à coulisser dans la jupe annulaire 20 de la bride d'entrée lorsque la partie filetée 26 de la tige de piston 23 est vissée dans l'écrou 50. Le dispositif d'accord comporte également des vis 39, de préférence deux, 10 permettant de bloquer le mouvement de la tige de piston 23 par rapport à la bride d'entrée 10. La tige de piston 23 peut ainsi être immobilisée par rapport à la bride d'entrée 10. La tige de piston 23 comporte une extrémité distale, dite « extrémité extérieure » 27 15 destinée à rester à l'extérieur de la cavité 13 et une extrémité proximale, dite « extrémité intérieure » 28 destinée à être insérée dans la cavité 13. L'extrémité intérieure 28 de la tige de piston est entourée par une jupe d'extrémité 29 reliée à la tige de piston 23 par une paroi transversale 30. La jupe d'extrémité 29 du piston est insérée dans la paroi tubulaire 15 de la bride d'entrée 10. 20 La partie de l'extrémité intérieure 28 entourée par la jupe d'extrémité 29, la jupe d'extrémité 29 et la paroi transversale 30 forment un nez de piston 40. Le nez de piston 40 est destiné à être inséré dans la cavité 13 de façon à l'accorder en fréquence. 25 La jupe d'extrémité 29 comporte de préférence une paroi extérieure 43 dans laquelle est creusée une rainure 44. Un joint 45, appelé « joint d'accord » 45 dans la suite, est inséré dans la rainure 44. Le joint d'accord 45 est réalisé dans un matériau conducteur électriquement. Le joint d'accord 45 est agencé de façon à empêcher le 30 passage des ondes radiofréquences entre le nez de piston 40 et la bride d'entrée 10. Pour cela, le joint d'accord 45 remplit l'espace entre le nez de piston et la bride d'entrée 10. La cavité est accordée en faisant bouger longitudinalement la position du joint d'accord 45. 3036232 9 La jupe d'extrémité 29 et la paroi transversale 30 du piston d'une part, et la paroi tubulaire 15 et la paroi transversale 18 de la bride d'entrée 10 d'autre part délimitent un volume 31 variable en fonction de la position du piston 21 par rapport à la bride 5 d'entrée 10. Le dispositif d'accord comporte également un soufflet 32 reliant le piston 21 à la bride d'entrée 10. Le soufflet 32 entoure la tige de piston 23. Le soufflet 32 est entouré par la paroi tubulaire 15 de la bride d'entrée 10. 10 Le soufflet 32 comporte : - une première extrémité 33 fixée à la paroi transversale 30 du piston 21. Pour cela, un anneau 34 fait de préférence saillie longitudinalement de la paroi transversale 30 du piston. La première extrémité 33 du soufflet est de 15 préférence soudée sur l'anneau 34. L'anneau 34 permet de faciliter la fixation du soufflet 32 sur la paroi transversale 30 du piston. L'anneau 34 est de préférence brasé sur la paroi transversale 30 du piston ; - une deuxième extrémité 35 fixée sur la paroi transversale 18 de la bride d'entrée. Pour cela, un anneau 36 fait de préférence saillie longitudinalement 20 de la paroi transversale 18 de la bride d'entrée 10. La deuxième extrémité 35 est de préférence soudée sur l'anneau 36. L'anneau 36 permet également de faciliter la fixation du soufflet sur la bride d'entrée. L'anneau 36 est de préférence brasé sur la paroi transversale 18. 25 La deuxième extrémité 35 du soufflet 32 est disposée à l'intérieur de la paroi annulaire 15 de la bride d'entrée 10. Le soufflet 32 et la paroi annulaire 15 de la bride d'entrée sont concentriques. Par ailleurs, la deuxième extrémité 35 du soufflet entoure la jupe annulaire 20 de la bride d'entrée. 30 La première extrémité 33 du soufflet est disposée à l'intérieur de la jupe d'extrémité 29 du nez de piston. Le soufflet 32 et la jupe d'extrémité 29 sont également concentriques. 3036232 10 Le soufflet 32 est déformable longitudinalement. En d'autres termes, le soufflet 32 peut être déformé suivant l'axe de référence 22. Le soufflet 32 est de préférence métallique. 5 Le soufflet 32 partage longitudinalement le volume 31 en deux chambres 37, 38 étanches l'une par rapport à l'autre : la première chambre 37 correspond à l'espace situé à l'intérieur du soufflet 32, tandis que la deuxième chambre 38 correspond à l'espace situé dans le volume 31, à l'extérieur du soufflet 32. La première et la deuxième chambre sont concentriques l'une par rapport à l'autre. 10 La première chambre 37, à l'intérieur du soufflet, est destinée à être placée à pression atmosphérique. En effet, la première chambre 37 est en communication avec l'extérieur de la cavité via la partie filetée 26 de la tige de piston et l'écrou 50. 15 La deuxième chambre 38, à l'extérieur du soufflet, est destinée à être placée à la même pression que l'intérieur de la cavité 13. En effet, la deuxième chambre 38 est en communication fluidique avec l'intérieur de la cavité 13 via l'espace entre le nez de piston 40 et la bride d'entrée 10. Ainsi, lorsque la pression à l'intérieur de la cavité est à 10-7 mbar, la pression dans la deuxième chambre 38 est également de 10-7 20 mbar. La partie filetée 26 de la tige de piston et l'écrou 50 sont donc isolés de l'intérieur de la cavité grâce au soufflet 32, de sorte que le dispositif d'accord est étanche malgré la présence du filetage. En outre, le dispositif d'accord est de préférence pourvu de moyens de 25 refroidissement. En effet, en fonctionnement, les ondes radiofréquences peuvent chauffer le nez de piston 40. Il est donc avantageux de prévoir des moyens de refroidissement 46 permettant de refroidir le nez de piston 40. Pour ce faire, le nez de piston 40 est de préférence évidé par une ouverture longitudinale 47 dans laquelle peut être injecté un fluide de refroidissement. 30 Naturellement, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits en référence aux figures et des variantes pourraient être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, d'autres moyens de refroidissement pourraient être 3036232 11 envisagés. On pourrait notamment utiliser comme moyens de refroidissement des tuyaux répartis sur la circonférence du piston. En outre, le piston, et en particulier le nez de piston pourrait présenter une autre géométrie. En effet, dans le mode de réalisation décrit, le nez de piston est évidé entre la jupe d'extrémité 29 et la tige de 5 piston 23, essentiellement pour des raisons de poids et de cout. Toutefois, on pourrait également envisager d'utiliser un nez de piston plein pour des raisons de simplicité de fabrication. De même, dans le mode de réalisation décrit, la bride d'entrée est évidée entre la paroi tubulaire et la jupe annulaire. Toutefois on pourrait également envisager de réaliser une bride d'entrée non évidée. 10 Par ailleurs, on pourrait également envisager d'automatiser le procédé d'accord de la cavité à l'aide du dispositif d'accord. Pour cela, le dispositif pourrait également comporter des moyens de mesure de l'onde radiofréquence dans la cavité. Ces moyens de mesure pourraient par exemple être intégrés au nez de piston. Le 15 dispositif pourrait en outre comporter des moyens de commande permettant de visser automatiquement la tige de piston dans la bride d'entrée. Le vissage de la tige de piston pourrait être asservi en fonction de la mesure de l'onde radiofréquence. 20 REVENDICATIONS1. Dispositif d'accord pour une cavité accélératrice radiofréquence (13) comportant : - une bride d'entrée (10) comportant : o un écrou (50); o une bride d'étanchéité (11) agencée pour être fixée de manière étanche sur une paroi extérieure (12) de la cavité (13); o une paroi transversale (18) située entre l'écrou (50) et la bride d'étanchéité (11); - un piston (21) comportant : o un nez de piston (40) destiné être inséré dans la cavité; o une tige de piston (23) pourvue d'une partie filetée vissée dans l'écrou (50) de la bride d'entrée (10) ; - un soufflet (32) entourant la tige de piston (23), le soufflet étant entouré par la bride d'étanchéité (11) de la bride d'entrée, le soufflet comportant o une première extrémité (33) fixée de manière étanche au nez de piston (40) ; o une deuxième extrémité (35) fixée de manière étanche à la paroi transversale (18) de la bride d'entrée (10). 2. Dispositif d'accord selon la revendication précédente, présentant une symétrie de révolution autour de la tige de piston (23). 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comportant au moins deux vis de blocage (39) agencées pour bloquer la rotation de la tige de piston par rapport à la bride d'entrée. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la tige de piston (23) est percée par une ouverture longitudinale (47) apte à être parcourue par un fluide de refroidissement. 3036232 13 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le nez de piston (40) comporte : - une jupe d'extrémité (29) entourant la première extrémité (33) du 5 soufflet (32); - une paroi transversale (30) reliant la jupe d'extrémité (29) à la tige de piston (23), la première extrémité du soufflet étant fixée à la paroi transversale (30) du nez de piston (40). 10 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le nez de piston (40) comporte une paroi extérieure pourvue d'une rainure (44), un joint (45) conducteur électriquement étant inséré dans la rainure (44) de manière à être en contact à la fois avec le nez de piston (40) et avec la bride d'entrée (10). 15 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la deuxième extrémité (35) du soufflet (32) est fixée à la bride d'entrée (10) par une soudure, la première extrémité (33) du soufflet (32) étant fixée au nez de piston (40) par une soudure. 20 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la bride d'étanchéité (11) de la bride d'entrée (10) est percée par une gorge annulaire (41) dans laquelle est inséré un joint d'étanchéité. 25 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre : - des moyens de mesure d'une onde radio fréquence dans la cavité ; - des moyens de commande aptes à commander la translation du piston par rapport à la bride d'entrée. 30 10. Cavité accélératrice radiofréquence (13) comportant au moins un dispositif d'accord selon l'une des revendications précédentes, la bride d'étanchéité (11) de la bride d'entrée (10) du dispositif étant fixée de manière étanche sur une paroi extérieure (12) de la cavité, le nez de piston (40) du dispositif étant 3036232 14 inséré dans une ouverture de la cavité.