L'invention concerne une structure accélératrice linéaire autofocalisante de particules chargées, destinée à équiper un accélérateur linéaire d'électrons.

Des accélérateurs linéaires de particules chargées sont utilisés dans de nombreux domaines tels que, scientifiques, médicaux, et même industriels. Selon leur application, ces accélérateurs produisent des faisceaux de particules, d'électrons par exemple, ayant des énergies souvent comprises entre un et plusieurs dizaines de MeV.

La puissance électrique consommée par ces accélérateurs est considérable, elle peut atteindre par exemple 130 Kw dont seulement 20 Kw se retrouvent dans le faisceau accéléré; aussi le rendement global d'un tel accélérateur a une répercussion directe et importante sur le coût d'utilisation de cet accélérateur, et une amélioration de son rendement par l'optimisation des éléments qui le constitue, est un souci constant des spécialistes, l'amélioration du rendement étant également souvent liée à l'amélioration des qualités du faisceau obtenu.

Les structures accélératrices linéaires d'électrons sont généralement formées par une succession de cavités résonantes, dont les dimensions sont liées à la fréquence d'une onde électromagnétique injectée dans la structure pour accélérer les électrons, et à la vitesse des électrons (voir par exemple, US-A-2 770 755 ou US-A-4 211 954).

Traditionnellement, les structures accélératrices sont optimisées en ce qui concerne la dynamique longitudinale on choisit les longueurs des cavités résonantes, qui constituent des cavités accélératrices, de façon à accélérer constamment dans chacune d'elles les électrons.

La partie accélératrice de l'onde électromagnétique est au maximum égale à sa demie période, et pour bénéficier d'un maximum d'énergie cédée par cette onde aux électrons, c'est-à-dire d'une valeur élevée du coefficient dit "d'angle de transit", ces cavités ont couramment une longueur 1 sensiblement égale au produit du quart au tiers de la longueur λo de l'onde électromagnétique par la vitesse relative des électrons, selon la relation suivante:où est le quotient de la vitesse V moyenne des électrons par la vitesse C de la lumière (β = 9), et n est compris entre 3 et 4. Cette longueur, définie dans le cadre du calcul d'une cavité classique, est appelée longueur accélératrice.

Ainsi par exemple, dans le cas d'une structure accélératrice fonctionnant à 3000 MHZ, soit une longueur d'onde λo égale à 100 mm et pour β = 0,5, les cavités accélératrices ont une longueur de l'ordre de 12 à 16 mm environ, augmentant progressivement pour atteindre 25 à 33 mm lorsque β = 1.

Cette approche traditionnelle où l'optimisation est limitée à la dynamique longitudinale, est imparfaite notamment par ce qu'elle ne prend pas en compte un effet de défocalisation radiale du faisceau le long de la structure accélératrice, cet effet s'affirmant particulièrement dans la première partie de cette structure où l'énergie des électrons est encore faible.

Cette défocalisation du faisceau est généralement compensée en ajoutant des solénoides disposés concentriquement autour de la structure accélératrice, pour créer un champ magnétique correcteur, ce qui augmente le coût et la complexité.

La présente invention concerne une structure accélératrice de particules chargées autofocalisante, dans laquelle l'effet de défocalisation du faisceau est évité par l'annulation de l'une de ses causes, contrairement aux structures selon l'art antérieur où cet effet est seulement compensé.

Dans la structure accélératrice selon l'invention, ceci est obtenu grâce à un agencement simple et peu coûteux de l'unique ou de la première cavité accélératrice de cette structure, et particulièrement applicable dans le cas où, dans cette cavité, le trou de sortie du faisceau a un diamètre inférieur à la longueur accélératrice précédemment mentionnée; cet agencement est remarquable en ce qu'il permet, dans ce dernier cas, de tenir compte de ce que la composante radiale du champ électrique dans la cavité accélératrice constitue une des causes principales de la divergence de particules chargées périphériques du faisceau, et que cette composante radiale est localisée à proximité des faces d'entrée et de sortie de la cavité et a des effets contraires à l'entrée et à la sortie de cette cavite.

Selon l'invention, un procédé d'utilisation d'une structure accélératrice linéaire autofocalisante de particules chargées, comportant une première cavité accélératrice d'une succession de cavités accélératrices permettant d'accélérer un faisceau de particules chargées sous l'effet d'une onde électromagnétique de fréquence F injectée dans ladite structure, l'axe de ladite première cavité étant confondu avec l'axe longitudinal de ladite structure et l'axe dudit faisceau, et comportant une face d'entrée et une face de sortie munies respectivement pour le passage dudit faisceau d'un trou d'entrée et d'un trou de sortie ayant un rayon r donné, caractérisé en ce que les caractéristiques de l'onde électromagnétique sont choisies de manière telle que la distance séparant les faces d'entrée et de sortie de ladite première cavité comprenne une longueur accélératrice L, plus une longueur supplémentaire L₂ destinée à retarder l'instant d'arrivée des particules à la face de sortie, la longueur supplémentaire L₂ étant liée à la longueur accélératrice L, par la relation L₂ = L, x K, K désignant un coefficient compris entre 0,5 et 1, et au rayon r du trou de sortie par la relation L₂ ≥ 2 r.

Nous entendons par longueur accélératrice, une longueur sur laquelle les électrons sont accélérés ainsi qu'il a été explique ci-dessus, cette longueur accélératrice étant définie par la relation qui suit:

- longueur accélératrice - où:

Du fait de la longueur supplémentaire entre la face d'entrée et la face de sortie de cette première cavité de la structure accélératrice selon l'invention, les particules ne sont pas soumises à l'action défocalisante de la composante radiale localisée près de la face de sortie, cette composante radiale étant soit en cours de disparition, soit même devenue focalisante; le seul inconvénient mineur consiste en une légère décélération de ces particules, avant qu'elles n'aient franchi le trou de sortie.

L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui va suivre d'un mode de réalisation d'une structure accélératrice selon son principe, faite en référence aux dessins annexés dans lesquels:

• - la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe de la structure accélératrice selon l'invention;
• - la figure 2 illustre l'onde electromagnétique injectée dans cette structure;
• - la figure 3 illustre la trajectoire d'un électron accéléré.

La figure 1 montre partiellement une structure accélératrice linéaire 1 conforme à l'invention, comportant une première cavité accélératrice CA suivie de n cavités accélératrices C₁, ..., C_n, n étant dans l'exemple décrit égal à 2. On n'a pas fait figurer d'éventuelles cellules dites de couplage, lesquelles constituent des éléments classiques disposés entre les cavités C₁, ..., C_n d'une manière connue.

La structure 1 comporte un axe longitudinal Z, confondu avec l'axe de la première cavité CA, et qui constitue également l'axe d'un faisceau de particules (non représenté) se propageant dans le sens de la flèche 2; ce faisceau de particules est accéléré grâce à l'énergie d'une onde électromagnétique (non représentée sur la figure 1) injectée de manière classique dans la structure 1 par un trou de couplage 4.

La première cavité CA, de forme cylindrique, comporte une face d'entrée 3 et une face de sortie 5 normales à l'axe du faisceau Z, et écartées l'une de l'autre d'une distance D; la face d'entrée 3 est munie d'un trou d'entrée 7, la face de sortie 5 est munie d'un trou de sortie 8, ces deux trous étant centrés sur l'axe Z du faisceau. Le faisceau de particules, provenant par exemple, d'une manière connue, d'un canon à électrons suivi d'un élément de glissement (non représentés), pénètre dans la première cavité accélératrice CA par le trou d'entrée 7, et ressort de cette cavité CA par le trou de sortie 8, se propageant dans la structure 1 dans le sens montré par la flèche 2.

Compte tenu de la vitesse des particules, elles sont accélérées sur un trajet tel que par exemple la longueur accélératrice L, qui, dans l'invention correspond à une fraction de la distance D entre la face d'entrée 3 et la face sortie 5 de la première cavité CA; dans l'exemple non limitatif décrit, la longueur accélératrice L, correspond à une longueur sensiblement égale à la relation ou : n = 3 à 4, λo est la longueur d'onde de l'onde électromagnétique, et où correspond à la vitesse relative des électrons. Cette vitesse relative des électrons est calculée en prenant la moyenne entre la vitesse d'entrée dans la première cavité CA, et la vitesse maximum atteinte dans cette cavité à la sortie de la longueur accélératrice L,. Il est à remarquer que certains électrons sont décélérés au tout début de leur trajectoire, ce dont on ne tient pas compte dans l'approximation de la longueur accélératrice L_t.

L'onde électromagnétique injectée dans la structure 1 détermine un champ électrique ayant une composante longitudinale E_z et des composantes radiales Er₁, Er₂, et la distribution et l'intensité de ces composantes radiales est influencée par la dimension des trous d'entrée et de sortie 7, 8. Aussi, dans l'exemple non limitatif de la description où les rayons r de ces trous sont égaux, on obtient une localisation des composantes radiales Er₁, Er₂, le rayon r des trous 7, 8 étant suffisamment faible par rapport à la longueur accélératrice L, pour que le rapport soit inférieur à 1. De ce fait:

• - une première composante radiale Er, est localisée à proximité de la face d'entrée 3 et a une action globalement convergente. Pour certains électrons, elle peut se décomposer en une action divergente suivie d'une action convergente;
• - une seconde composante radiale Er₂ est localisée à proximité de la face de sortie 5, et a une action divergente sur les électrons.

Ainsi, en supposant que la distance D entre la face d'entrée 3 et la face de sortie 5 soit uniquement formée par la longueur accélératrice L₁, des particules périphériques (non représentées) ayant franchi cette distance D et parvenant à proximité du trou de sortie 8 et de la face de sortie 5, subiraient l'influence défocalisante de la composante radiale Er₂ du champ.

Au contraire, dans la structure 1 selon l'invention, ces mêmes particules chargées ayant franchi la première longueur accélératrice L₁, ne subissent pas l'influence de cette composante radiale Er₂ divergente, dont elles sont encore séparées par une longueur supplémentaire L₂; la distance D entre les faces d'entrée et de sortie étant formees par l'addition de ces deux longueurs L, + L₂, et la longueur supplémentaire L₂ étant égale ou supérieure à deux fois le rayon r du trou de sortie 8 (L₂ > 2 r). Il est à noter que les trous d'entrée et de sortie 7, 8 comportent en général des becs, non représentés sur la figure 1 qui est schématique, et le rayon r représente un rayon approximatif moyen du trou de sortie 8.

La longueur supplémentaire L₂ est telle que l'onde électromagnétique est annulée, voire même inversée quand ces particules ont franchi la distance D, elfes sortent de la première cavité CA par le trou de sortie 8 sans diverger; elles peuvent même, si la phase de l'onde électromagnétique est inversée, subir une action convergente et une faible décélération, la composante radiale étant alors inversée également. On note que cette longueur supplémentaire L₂, de la première cavité CA, favorise aussi l'action convergente à l'entrée de la cavité accélératrice suivante C, qui constitue la seconde cavité. Dans l'exemple non limitatif décrit, la distance D₁ entre la face de sortie 5 de la première cavité CA et le plan d'entrée 15 de la seconde cavité C, est inférieure à la longueur accélératrice L₁, et assure ainsi une convergence sensible à l'entrée de cette seconde cavité C₁, compte tenu du déphasage de l'onde électromagnétique entre cavités CA, C₁, C₂. Ainsi l'effet combiné de l'entrée de la première cavité CA, de la sortie de cette première cavité et de l'entrée de la seconde cavité C, est optimisé; ensuite le gain en énergie est tel que l'effet de la sortie de la seconde cavité C, est (presque) négligeable. Par souci de simplicité on ne parle pas de cet effet de convergence à l'entrée de la seconde cavité C₁ dans ce qui suit.

La longueur supplémentaire L₂ est définie par la relation suivante: L₂ = L₁.K, où K est un coefficient compris entre 0,5 et 1.

Dans une réalisation de la structure accélératrice 1 conforme à l'invention, indiquée à titre d'exemple non limitatif, la première cavité accélératrice CA comporte des dimensions suivantes:

• - un rayon R de la cavité CA est de 40 mm;
• - la distance D entre la face d'entrée 3 et la face sortie 5 est de 25 mm; cette distance D étant constituée d'une longueur accélératrice L, de 15 mm, à laquelle s'ajoute la longueur supplémentaire L₂ de 10 mm;
• - le rayon r du trou de sortie 8 est de 3 mm;
• - la différence de potentiel entre la face d'entrée 3 et la face de sortie 5 est de l'ordre de 500 KV, et la fréquence de l'onde électromagnétique est de 3000 MHZ.

La distribution du champ électrique étant symétrique par rapport à l'axe Z du faisceau, elle n'est pas représentée dans la partie inférieure de la première cavité CA.

Cette distribution du champ électrique dans la première cavité accélératrice CA, correspond à l'existence dans cette dernière d'un champ accélérateur.

La figure 2 montre l'onde électromagnétique OE dont une demie période détermine ce champ accélérateur et dont la partie de l'onde OE comprise d'une part entre un instant to et l'instant t1, et d'autre part entre un instant t3 et un instant t4 détermine un champ décélérateur; l'instant t2 correspondant à la valeur crête de la demie période où le champ accélérateur Zo est maximum.

En prenant comme référence l'instant t2 où le champ accélérateur est maximum (Zo), des électrons peuvent arriver dans la première cavité accélératrice CA avec des phases d'arrivées 0₀ de valeurs quelconques. Mais pour éviter l'effet de défocalisation dû à la composante radiale Er₂ localisée près de la face de sortie 5, ces électrons devront franchir la distance D et parvenir à proximité de cette face de sortie, sensiblement à l'instant t3 où le champ accélérateur s'annule, grâce à la longueur supplémentaire L₂.

En prenant pour exemple un électron (non représenté) dont la phase d'arrivée 0o dans la première cavité CA est en avance de 170° par rapport à Zo ou instant t2: cet électron subit un champ décélérateur à proximité de la face d'entrée 3 jusqu'à l'instant t1 où l'onde OE s'inverse et où le champ devient accélérateur; l'action de la composante radiale Er₁, localisée près de la face d'entrée 3, est de ce fait d'abord divergente puis convergente quand le champ devient accélérateur, et son action est globalement convergente. Cet électron ralenti est rejoint par des électrons entrés dans la cavité CA après lui. Aussi l'agencement de la première cavité CA de la structure 1 selon l'invention permet d'éviter l'effet de défocatisation en sortie pour une large gamme de valeurs de phase d'arrivée 0₀, par exemple comprises entre - 45° et - 190° par rapport à Zo ou l'instant t1.

La figure 3 illustre la trajectoire d'un électron périphérique du faisceau, et montre les composantes de champ Er, Ez vues à des instants différents, compte tenu de la vitesse finie de l'électron.

La cavité accélératrice est symbolisée par ses parois d'entrée et de sortie 3, 5. La courbe 10 montre la trajectoire d'un électron pénétrant dans la première cavité CA avec une phase d'arrivée 0o égale à - 170°, et à une distance d de l'axe Z du faisceau:

• - à l'instant 0₀ le champ est décélérateur comme montré par la composante longitudinale E_z' et la composante radiale Er, est défocalisante;
• - à l'instant 01 le champ est accélérateur (composante longitudinale E_z) et la composante radiale Er, est focalisante; il est à remarquer qu'à cet instant la trajectoire 10 est très proche de la face d'entrée 3, l'électron ayant subi préalablement une décélération, et s'est davantage écarté de l'axe Z du faisceau;
• - a l'instant 03 le champ est nul, l'électron sort de la première cavité CA et tend à converger vers l'axe Z du faisceau.

En supposant que la distance D entre la face d'entrée 3 et la face de sortie 5 ait été constituée uniquement par la longueur accélératrice L₁, la face de sortie 5 aurait occupée la position de la ligne 11 en traits pointillés et, le champ auquel aurait alors été soumis l'électron à sa sortie de la première cavité CA est représenté en traits pointillés par les composantes Er₂ et Ez; la trajectoire de l'électron aurait été modifiée selon la flèche 12 représentée en traits pointillés, laquelle tend à diverger de l'axe Z du faisceau.

Cette description montre que la structure accélératrice 1 conforme à l'invention, élimine l'effet de défocalisation des particules chargées périphériques du faisceau, à la sortie d'une cavite accélératrice. Cette élimination de l'effet de divergence est obtenue par un agencement simple, économique, qui permet d'augmenter le rendement d'un accélérateur linéaire de particules chargées.