Dispositif accélérateur de particules chargées fonctionnant en ondes métriques

Abstract

 L'invention se rapporte à un dispositif accélérateur de particules chargées comprenant un accélérateur linéaire (A) de réalisation simple associé à un générateur d'ondes électromagnétiques comportant une valve thermoionique du type triode (G) ou tétrode.
Une structure accélératrice (Ci, C2, C3) des moyens de couplages (B₁) électromagnétique couplant la triode (G) et la structure (C₁, C2, C3) accélératrice sont décrits, ainsi que des moyens de balayage (20) permettant à un faisceau pulsé de particules accélérées de balayer une cible (Z) de grande largeur pendant une impulsion de ce faisceau.
Application: Appareils d'irradiation industriels.

Description

[0001] Les appareils d'irradiation utilisés dans l'industrie et plus. particulièrement ceux utilisés pour la stérilisation de produits alimentaires ou pharmaceutiques, nécessitent des faisceaux de particules chargées, des électrons par exemple, ayant des énergies de 1 à 10 MeV et des puissances moyennes de quelques dizaines de kilowatts. En fait, la valeur de 10 MeV est une valeur limite imposée pour l'énergie des électrons afin d'éviter tous risques de création de produits radioactifs dans les éléments irradiés.

[0002] Ces appareils d'irradiation peuvent utiliser des accélérateurs du type Van de Graff, ou colonne de Grenacher, permettant d'attein- dre des puissances moyennes importantes, mais sont généralement limités à des énergies de 2 à 3 MeV à cause des difficultés de tenue en tension des isolants.

[0003] Il est aussi connu d'utiliser, dans ces appareils d'irradiation, des accélérateurs linéaires fonctionnant à des fréquences voisines de 3 000 MHz, le générateur à microondes associé à ces accélérateurs étant généralement un magnétron ou un klystron fonctionnant en impulsions courtes.

[0004] Cependant, il peut être intéressant pour certaines applications (traitement des eaux et boues par exemple) d'utiliser des dispositifs d'irradiation de réalisation simple et de faible coût.

[0005] La présente invention a pour objet un dispositif accélérateur de particules chargées fonctionnant en ondes métriques et pouvant être avantageusement utilisé dans de tels dispositifs d'irradiation.

[0006] Suivant l'invention, un dispositif accélérateur de particules chargées comprenant une source de particules, une structure linéaire accélératrice formée d'une succession de cavités résonnantes accélératrices, un générateur d'ondes électromagnétiques pouvant émettre un signal destiné à être injecté dans l'une au moins de ces cavités résonnantes, des moyens permettant d'appliquer une haute-tension pulsée sur la source de particules, des moyens de focalisation du faisceau et des moyens de balayage d'une cible par le faisceau de particules accélérées, est caractérisé en ce que le générateur d'ondes électromagnétiques comporte une valve thermoionique munie d'une cathode, d'une anode et d'au moins une grille, en ce que l'une au moins des cavités résonnantes de la structure accélératrice est électromagnétiquement couplée à l'espace grille-anode de la valve.

[0007] L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des dessins qui l'accompagnent et sur lesquels :

- la figure 1 représente un exemple de réalisation d'une structure linéaire accélératrice fonctionnant en ondes métriques, suivant l'invention ;

- les figures 2 et 3 représentent respectivement deux exemples de couplage électromagnétique d'une triode oscillatrice à la structure accélératrice montré en figure 1 ;

- la figure 4 représente un accélérateur linéaire suivant l'invention associé à un dispositif de balayage du faisceau de particules accélérées et les moyens d'alimentation de l'ensemble accélérateur et dispositif de balayage, ainsi que de la triode oscillatrice associée à l'accélérateur ;

- la figure 5 représente les signaux a₂₁, a_G, aK appliqués respectivement sur l'électro-aimant de balayage, sur la triode et sur la cathode de l'accélérateur de particules pendant un temps Δt.

[0008] La figure 1 représente un exemple de réalisation d'une structure linéaire SA accélératrice suivant l'invention. Cette structure S_A, de type bipériodique, et destinée à fonctionner en ondes métriques, comporte une série de cavités accélératrices C₁, C₂, C₃ ... cylindriques, deux cavités accélératrices successives C₁, C₂ ou C₂, C₃ ... étant couplées électromagnétiquement l'une à l'autre au moyen de trous de couplage t12, t₂₃ ... respectivement.

[0009] Dans un exemple de réalisation, la structure accélératrice SA suivant l'invention est réalisée au moyen d'une succession de tybes cylindriques T₁, T₂, T3... métalliques d'axe XX, en cuivre par exemple, placés bout à bout et présentant à leurs extrémités des épaulements 1, 2 et 3, 4 ... de centrage permettant un montage aisé de la structure SA. Entre deux tubes T₁, T₂ ou T₂, T₃ ... successifs sont placées des plaques métalliques circulaires P_12' P₂₃ ... delimi- tant longitudinalement les cavités accélératrices C₁, C₂, C₃ ... Sur chacune des plaques P₁₂' P₂₃ ..., qui sont munies d'un orifice central O₁₂' O₂₃ ... respectivement, sont fixés des éléments M et N qui ont une épaisseur croissante de leur zone périphérique à leur zone centrale et délimi tent, dans la zone centrale de la structure accélératrice, un espace de glissement e séparant deux cavités résonnantes C₁, C₂ ou C₂, C₃... consécutives de la structure accélératrice SA du type bipériodique.

[0010] Comme montré en figure 1, la forme de l'élément M est telle qu'il présente sur sa face en vis-à-vis de la plaque P₁₂, ou P₂₃ ... sur laquelle il est fixé, un logement annulaire L dans lequel est placée une bobine magnétique m₁ ou m₂ ... de focalisation du faisceau de particules chargées. Un canal radial (non visible sur la figure), ménagé dans les plaques P₁₂, P_23' permet le passage des fils d'alimentation des bobines m₁, m₂.

[0011] Dans l'exemple de réalisation de la structure accélératrice SA montrée en figure 1, l'élément M est fixé sur la plaque P₁₂ au moyen d'une série de vis y, dont la tête est noyée dans cette plaque P_12' et l'élément N est fixé sur la plaque P₁₂, en vis-à-vis de l'élément M, au moyen d'une série de vis V placées obliquement par rapport à la plaque P12.

[0012] Cet exemple de réalisation d'une structure linéaire SA accélératrice n'est pas limitatif. On pourrait également utiliser une structure liénaire tripériodique ou une structure interdigitale de type connu (non représentées).

[0013] Quel que soit le type de structure accélératrice choisi, l'une au moins des cavités accélératrices de la structure accélératrice est couplée électromagnétiquement à un générateur d'ondes électromagnétiques qui, dans un exemple de réalisation du dispositif accélérateur suivant l'invention, est une triode oscillatrice fonctionnant en ondes métriques.

[0014] La figure 2 montre un système de couplage électromagnétique de cette triode G et de la structure accélératrice SA suivant l'invention, telle que montrée en figure 1.

[0015] Cette triode G, de type classique, comporte une cathode 100, une grille 101 et une anode 102. L'espage grille-anode 101-102 est associé à une ligne coaxiale 103 qui est couplée électromagnétiquement à la cavité accélératrice C₁ de la structure accélératrice SA au moyen d'une boucle de couplage B_I qui plonge dans cette cavité C₁. Dans cet exemple de réalisation, l'espace cathode-grille 100-101 est associé à une ligne coaxiale 104 couplée capacitivement à la ligne coaxiale 103 au moyen d'un plongeur D radial, dont l'enfoncement dans la ligne coaxiale 104 est réglable. Des pistons annulaires P_103' p₁₀₄ mobiles, sans contact électrique, placés respectivement dans les lignes coaxiales 103 et 104 permettent de régler convenablement la longueur de ces lignes coaxiales 103 et 104.

[0016] En fonctionnement, la triode G oscille sur le mode , à la fréquence f de résonance des cavités C₁, C₂ ...

[0017] Dans un autre exemple de réalisation du dispositif accélérateur suivant l'invention montré en figure 3, la ligne coaxiale 103 associée à l'espace cathode-grille 100-101, est couplé électromagnétiquement à la cavité C₂ de la structure accélératrice A au moyen d'une boucle de couplage B₂ plongeant dans cette cavité C₂. Un tel couplage permet de créer une tension alternative de fréquence f entre la grille 101 et la cathode 100 de la triode G de façon que cet espace cathode-grille 100-101 soit excité en opposition de phase par rapport à l'espace grille-anode 101-102 de la triode G.

[0018] Il est à remarquer que la triode G peut être remplacée par une tétrode oscillatrice conventionnelle (non représentée).

[0019] Il est aussi possible dans un autre exemple de réalisation du dispositif accélérateur suivant l'invention de remplacer la triode G oscillatrice par une triode amplificatrice associée à un pilote (non représentée).

[0020] Dans certaines applications mentionnées précédemment, le dispositif accélérateur suivant l'invention est destiné à fonctionner en impulsions longues, de l'ordre de la milliseconde. Cette longueur d'impulsion est imposée essentiellement par la fréquence f de fonctionnement de la structure accélératrice (200 MHz par exemple), le temps de remplissage en énergie électromagnétique des cavités de la structure accélératrice étant proportionnel à 3/2, 1 étant la longueur d'onde correspondant à la fréquence _f.

[0021] La figure 4 montre schématiquement un système d'alimentation en tension d'un dispositif accélérateur suivant l'invention délivrant un faisceau de balayage destiné à balayer une cible Z de grande largeur. L'accélérateur linéaire A est alimenté par une haute-tension pulsée fournie, par exemple, par un modulateur 22 à lignes à retard associées à des thyristors. Ces lignes à retard, placées en parallèle, sont chargées, de façon connue, par un redresseur connecté sur le secteur. Ce système d'alimentation comporte de plus :

- un générateur 21 fonctionnant à 300 Hz par exemple et permettant d'exciter un électro-aimant 20 de balayage avec un courant sinusoïdal ;

- un condensateur 25 d'accord de fréquence du générateur 21 ;

- un modulateur 23 destiné à alimenter en haute-tension la triode G ;

- un dispositif 24 de déclenchement des impulsions des modulateurs 22 et 23 permettant la synchronisation des impulsions envoyées par le modulateur 22 sur la cathode K de l'accélérateur et par le modulateur 23 sur l'anode 102 de la triode G.

[0022] En fonctionnement, le générateur 21 alimentant l'électro-aimant 20 commande le dispositif 24 de déclenchement des impulsions, d'une part, du modulateur 23 de la triode G, puis, d'autre part, du modulateur 22 de la cathode K de l'accélérateur A. Le générateur 21 fournit une tension sinusoïdale dont la période est voisine de 300 Hz par exemple. Le déclenchement des impulsions appliquées respectivement sur la cathode K de l'accélérateur A et sur la triode G est tel que ces impulsions (d'une milliseconde par exemple) passent pendant le temps Δt correspondant au temps de balayage de la cible Z, le. potentiel V₂₁ appliqué à l'électro-aimant variant. pendant ce temps Δt entre les valeurs v_M et v_m. Cela est obtenu avec une fréquence de déclenchement égale à un sous-multiple de 300. Les fréquences de répétition pourront être par exemple de 10, 30 ou 50 Hz.

[0023] La figure 5 montre le signal a₂₁ appliqué sur l'électro-aimant 21, le signal a₂₃ fourni par le modulateur 23 ainsi que le signal a_G appliqué sur l'anode 102. de la triode G, et enfin le signal a_K appliqué sur la cathode K de l'accélérateur A.

[0024] Un tel système d'alimentation permet donc un balayage de la largeur totale de la cible Z par le faisceau de particules accélérées pendant la durée Δt de l'impulsion appliquée sur la cathode K de l'accélérateur A, la période de récurence de ces impulsions correspondant à k fois la période du signal a₂₁ sinusoïdal appliqué sur l'électro-aimant 21, k étant un nombre entier égal ou supérieur à 1.

Revendications

1. Dispositif accélérateur de particules chargées comportant une source de particules chargées, une structure linéaire accélératrice formée d'une succession de cavités résonnantes, un générateur d'ondes électromagnétiques pouvant émettre un signal destiné à être injecté dans l'une au moins de ces cavités résonnantes, des moyens permettant d'appliquer une haute-tension pulsée sur la source de particules, des moyens de focalisation du faisceau et des moyens de balayage du faisceau de particules accélérées, caractérisé en ce que le générateur d'ondes électromagnétiques comporte une valve thermoionique munie d'une cathode, d'une anode et d'au moins une grille, en ce que l'une au moins des cavités résonnantes de la structure accélératrice est électromagnétiquement couplée à l'espace grille-anode de la valve.

2. Dispositif accélérateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la valve est une triode G oscillatrice.

3. Dispositif accélérateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la valve est une tétrode oscillatrice.

4. Dispositif accélérateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur est une valve amplificatrice associée à un pilote de fréquence f égale à la fréquence de résonance des cavités résonnantes de la structure accélératrice.

5. Dispositif accélérateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il fonctionne en ondes métriques.

6. Dispositif accélérateur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la triode G, qui comporte une ligne coaxiale (103) de longueur réglable associée à l'espace grille-anode (101-102) et une ligne coaxiale (104) de longueur réglable associée à l'espace cathode-grille (100-101), est couplée électromagnétiquement à l'une (CI) des cavités résonnantes de la structure accélératrice au moyen d'une boucle (B₁) et en ce qu'un plongeur (D) mobile assure un couplage capacitif entre les lignes coaxiales (103) et (104).

7. Dispositif accélérateur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la triode G, qui comporte une ligne coaxiale (103) de longueur réglable associée à l'espace grille-anode (101-102) et une ligne coaxiale (104) associée à l'espace cathode-grille (100-101), est munie de moyens. de couplage permettant: de coupler électromagnétiquement d'une part, la ligne coaxiale (103) à l'une (C₁) des cavités de la structure accélératrice et d'autre part, la ligne coaxiale (104) à une autre cavité (C₂) de cette structure accélératrice suivant immédiatement la cavité (C1) de manière que l'espace cathode-grille (100-101) de la triode (G) soit excité en opposition de phase par rapport à l'espace grille-anode (101-102), la structure accélératrice étant du type bipériodique.

8. Dispositif accélérateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le système de balayage du faisceau de particules accélérées permet de balayer la largeur d'une cible Z à chaque impulsion du faisceau de particules accélérées.

9. Dispositif accélérateur suivant la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte :

- un modulateur 22 permettant d'appliquer sur la cathode (K) de l'accélérateur une haute-tension pulsée ;

- un modulateur 23 permettant d'appliquer une haute-tension pulsée sur l'anode (102) de la triode (G) ;

- un générateur (21) fournissant une tension sinusoïdale destinée à être appliquée sur un électro-aimant de balayage ;

- un dispositif (24) de déclenchement des impulsions des modulateurs (22) et (23), le générateur (21) contrôlant la mise en fonctionnement du dispositif (24). ;

10. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, et comportant une structure accélératrice linéaire formée d'une succession de tubes (T₁, T₂, T₃) métalliques de forme cylindrique, d'axe XX, et de plaques (P₁₂, P23) circulaires, disposées perpendiculairement à l'axe XX, cette structure étant caractérisée en ce que des éléments (M, N) annulaires, sont fixés respectivement de part et d'autre de chacune des plaques (P₁₂, P₂₃), en ce que ces éléments ont une épaisseur croissante de leur zone périphérique à leur zone centrale, et en ce que les éléments (M) ont une forme telle qu'ils présentent sur leur face en vis-à-vis des plaques (P₁₂, P₂₃) auxquelles ils sont respectivement associés, un logement annulaire L destiné à recevoir un bobinage (m₁ ou m₂). magnétique.

Dessins