[0001] La présente invention a pour objet un groupeur-dégroupeur de faisceau d'ions, à intervalles
dissymétriques, et fonctionannant dans une large gamme de vitesse. Elle trouve une
application dans les installations d'accélération d'ions.
[0002] On sait qu'un groupeur.ou un dégroupeur de faisceau d'ions est constitué par une
structure résonnante alimentée par une source haute fréquence ou hyper-fréquence,
et traversée par un faisceau d'ions de telle sorte que le champ électrique établi
dans la structure module la vitesse des ions de manière appropriée.
[0003] Dans un groupeur, la modulation sur la vitesse a pour effet d'accélérer davantage
les ions lents que les ions rapides, ce qui permit un regroupement en paquet de faible
étendue spataile à une distance déterminée du groupeur; les vitesses des différents
ions constituant un paquet sont alors distribuées dans une plage élargie. Les groupeurs
sont utilisés dans les systèmes d'accélération d'ions lorsqu'on veut procéder, par
exemple, à des expériences de temps de vol ou à toute injection dans un accélérateur
haute fréquence.
[0004] Dans un dégroupeur, la modulation a pour effet d'augmenter les vitesses faibles et
de réduire les vitesses élevées, ce qui permit de diminuer la dispersion en vitesse
des ions. Un tel appareil est utilisé lorsqu'on désire utiliser des ions monoénergétiques,
sans préoccupation particulière sur la largeur du paquet d'ions.
[0005] Les figures 1 et 2 rappellent, dans leurs grandes lignes, les principes de construction
et de fonctionnement de ces deux appareils.
[0006] Sur la partie (a) de la figure 1 est représentée une structure résonnante constituée
par une paroi 2 fermée à ses deux extrémités par des faces latérales 4 et 6 traversées
respectivement par des conduits d'entrée 8 et de sortie 10 d'un faisceau d'ions 12.
La structure représentée comprend en outre un tube de glissement 14 relié à la paroi
2 par un support conducteur 16. Ce tube de glissement est séparé des conduits 8 et
10 par deux intervalles 1, et 1
2 identiques, Toutes ces pièces sont conductrices et par exemple métalliques.
[0007] La partie (b) de cette même figure 1 illustre le schéma électrique de la structure
représentée sur la partie (a). Ces deux conduits 8 et 10 sont reliés à la masse (ou
plus généralement à un potentiel de référence) et le tube de glissement 14 est porté
à une tension alternative V du fait du champ haute fréquence (ou hyper-fréquence)
qui règne dans la structure (cette tension V étant comptée à partir dudit potentiel
de référence). Les intervalles I
1 et I
2 présentent chacun une longueur / et leurs centres sont distants de la longueur L.
Un même champ électrique moyen V/1 règne donc dans ce deux intervalles.
[0008] Les schémas de la figure 2 illustrent le fonctionnement du dispositif de la figure
1. Les ions de vitesse moyenne pénètrent dans l'intervalle I
1 à l'instant t
0 (partie a), la distance z qu'ils parcourent est portée en ordonnées en fonction des
temps figurant en abscisse. Ces ions sont soumis (b) à un champ électrique E
o pendant leur traversée de l'intervalle I
1, ce champ modifiant légèrement leur vitesse, (cette modification de vitesse est en
général faible devant la vitesse proprement dite). Des ions plus rapides que les précédents
ont atteint l'intervalle I
1 à l'instant t, antérieur à t
o. Ils sont soumis à un champ E, plus faible que E
o. Inversement, des ions plus lents n'atteignent l'intervalle 1, qu'à l'instant t
2>t
o et ces derniers voient un champ E
2 plus intense que E
o. Les grandeurs relatives des champs sont donc telles que les ions les plus lents
vont pouvoir rejoindre les ions les plus rapides: c'est le fonctionnement en groupeur.
[0009] Ce mécanisme suppose évidemment que le champ électrique croisse dans le temps de
façon appropriée. En pratique, on n'utilise que rarement la modulation idéale qui
serait linéaire, mais plutôt une modulation sinusoïdale ou une somme de modulations
sinusoïdales beaucoup plus facile à obtenir, cette modulation n'étant utilisée que
sur one partie sensiblement linéaire. Les ions qui pénètrent dans l'intervalle 1,
à des périodes où le champ ne présente pas la variation appropriée ne sont évidemment
pas regroupés. Mais, pour les autres, on observe un regroupement à une distance z
0 de l'intervalle I
1.
[0010] Dans un dégroupeur d'ions, le méchanisme est analogue à cette différence qu'il tend
à réduire le déficit en énergie des ions lents et à réduire l'excès d'énergie des
ions rapides. Un dégroupeur placé à une distance z reçoit des ions à l'instant to
et leur applique un champ E
ô. Des ions plus rapides ont atteint l'intervalle d'interaction du dégroupeur à l'instant
antérieur à t
'0. Ils sont soumis à un champ E
'1 plus faible que E
'0. Quant aux ions plus lents, qui atteignent le dégroupeur en t
'2, ils voient dans l'intervalle d'interaction un champ E
'2 supérieur à E
'0. A la sortie du dégroupeur, les ions sont animés de vitesses sensiblement égales,
mais corrélative- ment, ils occupent une partie étendue de l'espace.
[0011] Aussi bien dans un groupeur que dans un dégroupeur, les intervalles où les ions subissent
l'action du champ électrique doivent être suffisamment courts pour que le temps de
transit des ions soit inférieur à la demi-période du champ. Si v est la vitesse des
ions et T la période, on doit donc avoir:
[0012] A titre explicatif, on peut indiquer que les tensions que l'on recontre habituellement
dans les groupeurs de faisceaux d'ions sont définies par deux impératifs: la modulation
de vitesse apportée au faisceau doit être faible devant la vitesse dudit faisceau,
et la tension d'accélération doit être grande devant les fluctuations naturelles du
faisceau. En pratique, on utilise des tensions de l'ordre de quelques dizaines de
kilovolts ou moins.
[0013] Quant aux tensions utlisées dans les dégroupeurs, elles sont de l'ordre de grandeur
de la dispersion en énergie du faisceau et peuvent être comprises entre 10 kV et 100
kV environ.
[0014] Au sujet de ces appareils, on pourra consulter l'article de E. L. Hubbard et al intitulé
"Heavy-lon Linear Accelerator" publié dans la revue "The Review of Scientific Instruments",
vol. 32, No. 6, juin 1961, page 621, l'article de J. S. Sokolowski et al intitulé
"Status Report on Stanford's Superconducting Heavy Ion Linear Project" publié dans
la revue "IEEE Transactions on Nuclear Science", vol NS-24, No. 3, juin 1977, page
1141, et enfin l'article de B. Cork intitulé "Proton Linear Accelerator Injector for
the Bevatron" et publié dans la revue "The Review of Scientific Instruments" vol.
26, No. 2, février 1955, page 210.
[0015] Ces généralités ayant été rappelées, il est possible de définir l'invention par rapport
l'art antérieur. La structure représentée sur la figure 1 est, parmi les structures
connues, celle qui se rapproche le plus de l'invention. On peut considérer qu'elle
est formée d'une première partie constituée par le support 16, les faces 4 et 6 et
la paroi 2, cette partie étant équivalente à une ligne résonnante en λ/4, si λ est
la longueur d'onde du champ électromagnétique introduit dans la structure et d'une
seconde partie constituée par les intervalles 1, et 1
2 qui sont des zones de nature capacitive.
[0016] L'intérêt d'une telle structure est de présenter un ecombrement faible (inférieur
à λ/4) alors que pour les structures à un seul intervalle d'interaction, les dimensions
sont de l'ordre de A/2, ce qui devient prohibitif pour des fréquences de travail inférieures
à 100 MHz (la demi-longueur d'onde est alors égale à 1,5 m).
[0017] Cette structure de l'art antérieur nécessite que les actions exercées par le champ
électrique sur les ions dans les deux intervalles d'interaction soient cumulatives.
Cela implique que les ions parcourent la distance L séparant ces deux intervalles
en un temps qui est un multiple impair de la demi-période T du champ. Cette structure
de l'art antérieur ne fonctionne donc correctement que si les ions sont animés d'une
vitesse voisine de 2L/T (ou d'un multiple de cette vitesse).
[0018] Cette contrainte imposée à la vitesse des ions est gênante dans la plupart des applications
des groupeurs et dégroupeurs. En effet, ces appareils sont utilisés en général dans
des installations comprenant, par exemple et successivement, une source d'ions, un
injecteur, un premier accélérateur (de type Van de Graaf par exemple), un second accélérateur
(de type linéaire par exemple). Or, dans de telles installations, il est fréquent
d'avoir à faire varier l'énergie des ions, ce qui revient à modifier leur vitesse,
ou de passer d'un type d'ions à un autre à énergie constante, ce qui entraîne encore
une modification de leur vitesse.
[0019] Il n'est donc pas possible d'utiliser les appareils décrits dans tous les cas et
ils doivent être modifiés dans leur dimension en fonction des besoins, ce qui est
peu commode.
[0020] Cettes, on connaît des dispositifs à un seul intervalle d'accélération qui ne présentent
pas cet inconvénient du fait même de l'unicité de cet intervalle. Mais comme cela
a déjà été souligné plus haut, ces dispositifs présentent un inconvénient majeur du
fait de leur encombrement qui est d'autant plus grand que la fréquence est basse.
[0021] L'invention a justement pour objet un groupeur-dégroupeur qui remédie simultanément
à ces deux inconvénients. A cette fin, le groupeur-dégroupeur de l'invention est du
genre de ceux qui comprennent deux intervalles et, à ce titre, il bénéficie de l'avantage
offert par cette famille de dispositifs, à savoir un encombrement faible. Par ailleurs,
le groupeur-dégroupeur de l'invention ne présente pas l'inconvénient d'avoir une plage
de vitesse étroite et cela grâce à une disposition originale des deux intervalles
d'interaction.
[0022] Le groupeur-dégroupeur de l'invention peut donc fonctionner dans une large gamme
de vitesses tout en présentant un faible encombrement.
[0023] Ce double but est atteint par l'utilisation de deux intervalles qui ne sont plus
symétriques, comme dans l'art antérieur, mais au contraire très dissymétriques, l'un
d'eux étant le siège d'un champ électrique qui est faible par rapport au champ qui
règne dans l'autre. La contribution de cet intervalle dans le processus demodula-
tion de vitesse est alors négligeable devant celle de l'autre intervalle. Il en résulte
que la condition sur le caractère cumulatif des deux actions exercées par le champ
dans les deux intervalles disparaît et avec elle, la contrainte sur le temps de parcours
des ions d'un intervalle à l'autre.
[0024] De façon plus précise, la présente invention a pour objet un groupeur-dégroupeur
de faisceau d'ions, du genre de ceus qui comprennent une structure résonnante alimentée
par un générateur haute fréquence ou hyper- fréquence, cette structure comportant
une paroi cylindrique fermée par deux faces latérales traversées respectivement par
un conduit d'entrée et un conduit de sortie du faisceua, et comportant un tube de
glissement disposé entre lesdits conduits et définissant avec le conduit d'entrée
un premier intervalle et avec le conduit de sortie un second intervalle, le faisceau
d'ions étant introduit dans cette structure par le conduit d'entrée, subissant d'abord,
dans le premier intervalle, une première action de la part du champ électrique qui
y règne, puis parcourant le tube de glissement et subissant enfin dans le second intervalle
une seconde action de la part du champ électrique qui y règne et quittant la structure
par le conduit de sortie; ce groupeur-dégroupeur est caractérisé en ce que les deux
intervalles définis par le tube de glissement et les conduits d'entrée et de sortie
sont fortement dissymétriques, l'un des deux intervalles offrant au faisceau d'ions
un champ electrique très inférieur à ce qu'offre l'autre intervalle, l'action exercée
dans ledit intervalle par le champ électrique sur les ions, étant alors négligeable
devant celle qui est exercée dans l'autre intervalle.
[0025] Selon une première variante, le groupeur-dégroupeur de l'invention est caractérisé
en ce que l'intervalle à action faible présente une longueur telle qu'il est parcouru
par le faisceau d'ions en un temps grand devant la demi-période de résonance de la
structure.
[0026] Selon une seconde variante, le groupeur-dégroupeur de l'invention est caractérisé
en ce que les conduits d'entrée et de sortie ont des sections différentes, le tube
de glissement présentant une forme évasée passant d'une section faible égale à celle
de l'un des conduits à une section forte égale à celle de l'autre conduit.
[0027] Selon une troisième variante, les deux dispositions précédentes sont combinées.
[0028] De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux
après la description qui va suivre, d'exemples de réalisation donnés à titire -explicatif
et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins sur lesquels:
- la figure 1 représente une structure résonnante de groupeur-dégroupeur selon l'art
antérieur,
- la figure 2 est un schéma explicatif du fonctionnement d'un groupeur-dégroupeur,
- la figure 3 représente un schéma électrique d'une structure résonnante de groupeur-dégroupeur
selon un première variante de l'invention,
-la figure 4 représente, en coupe, une structure correspondant à ce schéma,
- la figure 5 représente schématiquement une structure résonnante de groupeur-dégroupeur
selon une seconde variante de l'invention,
- la figure 6 représente schématiquement une structure résonnante du groupeur-dégroupeur
selon une troisième variante de l'invention,
- la figure 7 représente un mode particulier de réalisation d'un groupeur-dégroupeur
conforme à l'invention.
[0029] Les figures 1 et 2 sont relatives à l'art antérieur et ont déjà été décrites. Sur
les autres figures relatives à la présente invention, il est supposé à titre illustratif,
que le premier intervalle traversé par le faisceau d'ions est l'intervalle à action
prépondérante, le second intervalle intervenant de façon négligeable. Mais il va de
soi que cet ordre pourrait être inversé, le faisceau pouvant pénétrer d'abord dans
l'intervalle à action négligeable. Par ailleurs, dans la description qui suit, il
est question d'un "groupeur", mais il va de soi que les structures décrites peuvent
aussi bien fonctionner en dégroupeur.
[0030] Les figures 3 et 4 tout d'abord illustrent une première variante de l'invention.
Sur le schéma de la figure 3, on trouve un conduit d'entrée 20, un tube de glissement
22 et enfin, un tube de sortie 24. Un faisceau d'ions 26 traverse successivement ces
trois éléments qui sont portés à des potentiels respectivement égaux à 0, V et O.
La structure réelle est représentée sur la figure 4. Elle est alimentée par une source
28, haute fréquence ou hyperfréquence, les moyens de couplage de cette source à la
structure résonnante n'étant pas représentés explicitement, car ils sont bien connus
de l'homme de l'art.
[0031] Le conduit d'entrée 20 et le tube de glissement définissent un premier intervalle
I
1, de longueur 1, qui est le siège d'un champ électrique de valeur moyenne V/I
1. La longueur I
1 est choisie suffisamment courte pour que le temps de transit des ions soit inférieur
à la demi-période T/2 du champ. On a donc:
comme dans l'art antérieur.
[0032] Le tube de glissement 22 et le conduit de sortie 24 définissent un second intervalle
1
2, de longueur 1
2 beaucoup plus grande que 1,.
[0033] Cet écart entre les longueurs I
1 et I
2 entraîne deux conséquences: la première est que le champ électrique moyen VlI
2 qui règne dans le second intervalle est beaucoup plus faible que le champ moyen V/I
1 qui règne dans le premier; la seconde est que la longueur 1
2 n'est plus petite devant
comme l'est 1
1, de sorte que le temps de transit des ions à travers cet intervalle peut atteindre
ou même dépasser la période T du champ. Celui-ci change donc de direction au cours
de ce transit, de sorte que son' action nette sur les ions est très faible.
[0034] Ces deux particularités de champ-faiblesse de son intensité et alternance pendant
la traversée des ions-contrlbuent à rendre son action négligeable devant celle qui
est exercée dans le premier intervalle. Il en résulte que, dans un tel groupeur, la
vitesse des ions n'est plus soumise à la condition évoquée plus haut à propos de l'art
antérieur et qui porte surf le temps mis par les ions pour passer d'un intervalle
à l'autre, l'instant où les ions pénétrent dans l'intervalle 1
2 devenant en effet indifférent.
[0035] La figure 5 illustre une seconde variante de l'invention. Le dispositif représenté
comprend encore un conduit d'entrée 30, un tube de glissement 32 et un conduit de
sortie 34. Mais ce conduit de sortie possède une section plus grande que le conduit
d'entrée. Le tube de glissement présente alors une forme évasée qui constitue une
transition ' entre les conduits d'entrée et de sortie.
[0036] Sur la variante représentée, les intervalles I
1 et I
2 ont même longueur I
1=I
2. Le champ électrique moyen V/I
2 qui règne entre le tube de glissement 32 et le conduit de sortie 34 est donc le même
que celui qui règne entre le conduit d'entrée 30 et le tube de glissement 32. Mais
il s'agit du champ qui règne dans une zone éloignée de celle qui est traversée par
le faisceau d'ions. Le champ qui agit sur les ions est en fait différent de celui
qui règne au niveau de conduit de sortie. Si l'on suppose que la structure est de
révolution autour de l'axe du faisceau, le champ E
o sur cet axe est relié au champ Eg et au rayon a, par la relation classique:
où I
0 est la fonction de Bessel modifiée de première espèce et d'ordre 0 et β le rapport
de la vitesse v des ions à celle de la lumière et A la longueur d'onde du champ dans
le vide. Si l'on désigne par x la quantité
le développement en série de I
0 est:
[0037] Le champ E
o sur l'axe est donc inférieur au champ E
a (lequel est en moyenne égal à V/12) et peut être nettement inférieur à ce champ.
Par exemple pour β=0,01, λ=6 m (f=50 MHz) et a=10 cm, on a I
0≃28.
[0038] Dans cette variante, le second intervalle 1
2 joue donc bien un rôle négligeable devant celui jouf par I
1, parce que le champ sur l'axe y est beaucoup plus faible que dans le premier. Ce
rôle déjà effacé joué par l'intervalle 1
2 peut encoure être réduit dans une troisième variante, si cet intervalle est allongé,
comme représenté sur la figure 6, jusqu'à présenter une longueur 1
2 grande devant vT. Alors, comme dans la variante illustrée par les figures 3 et 4,
le champ agit selon des directions qui varient pendant la traversée des ions, ce qui
réduit son action nette.
[0039] Il va de soi que les structures qui viennent d'être décrites peuvent être de révolution
ou présenter des formes autres, parallélépipédiques par exemple.
[0040] Il va également de soi qu'on peut adopter pour la cavité résonnante proprement dite,
une grande variété de formes. Elle peut être du type à ligne en λ/4 comme sur la figure
4, mais aussi à support en hélice ou en spirale, cette dernière variété étant illustrée
sur la figure 7.
[0041] La structure représentée sur cette figure comprend une cavite 40, des conduits d'entrée
42 et de sortie 44, un tube de glissement 46, un conducteur spiralé 48 formant self-inductance;
les espaces compris entre le tube 46 et les conduits 42 et 44 constituent des zones
capacitives. Cette disposition permet de diminuer sensiblement l'encombrement de la
structure.
[0042] Dans tous les cas, la cavité peut être accordable par variations de certaines dimensions.
1. lonen-Bündelungsvorrichtung von der Art, welche eine von einem Hochfrequenz- oder
Hyperfrequenzgenerator gespeiste Resonanzstruktur aufweist, welche eine Zylinderwandung,
die durch zwei Seitenflächen geschlossen ist, durch die ein Eintrittsroh,r bzw. ein
Austrittsrohr für das Strahlenbündel hindurchgehen, und eine Driftröhre umfaßt, welche
zwischen den beiden Rohren angeordnet ist und mit dem Eintrittsrohr einen ersten Zwischenraum
und mit dem Austrittsrohr einen zweiten Zwischenraum festlegt, wobei der lonenstrahl
in diese Strucktur durch das Eintrittsrohr zuführbar ist und zunächst in dem ersten
Zwischenraum einer ersten Wirkung durch das dort vorliegende elektrische Feld ausgesetzt
ist, dann die Driftröhre durchläuft und in dem zweiten Zwischenraum einer zweiten
Wirkung des dort vorliegenden, elektrischen Feldes ausgesetzt ist und die Struktur
durch das Austrittsrohr verläßt, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei durch die Driftröhre
und das Eintrittsrohr und das Austrittsrohr festgelegten Zwischenräume sehr ungleich
sind, wobei in dem einen der beiden Zwischenräume für den lonenstrahl ein sehr viel
kleineres elektrisches Feld als in dem anderen Zwischenraum vorhanden ist und die
in dem einen Zwischenraum durch das elektrisehe Feld auf die Ionen ausgeübte Wirkung
gegenüber derjenigen vernachlässigbar ist, welche in dem anderen Zwischenraum ausgeübt
wird.
2. lonen-Bündelungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittsrohr
und das Austrittsrohr unterschiedliche Querschnitte aufweisen und daß die Driftröhre
eine sich erweiternde Form aufweist, die von einem kleinen Querschnitt, der gleich
demjenigen von einem der Rohre ist, zu einem großen Querschnitt übergeht, der gleich
demjenigen des anderen Rohres ist.
3. lonen-Bündelungsvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Zwischenraum mit der schwachen Wirkung eine derartige Längenabmessung aufweist,
welche von dem lonenstrahl in einer Zeit durchlaufen wird, welche gegenüber einer
Halbperiode der Resonanz der Struktur groß ist.
4. lonen-Bündelungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Struktur von der Art mit einer linearen Viertelwellenlänge oder spiralförmig
oder schraubenförmig oder mit einem örtlichen induktiven Widerstand ist.