CH623182A5

CH623182A5 -

Info

Publication number: CH623182A5
Application number: CH448678A
Authority: CH
Inventors: Jacques Pottier
Original assignee: Commissariat Energie Atomique
Priority date: 1977-05-05
Filing date: 1978-04-26
Publication date: 1981-05-15
Also published as: JPS5416097A; GB1597774A; US4181894A; FR2390069A1; NL7804746A; DE2819883A1; FR2390069B1

Description

La présente invention a pour objet un dispositif comprenant au moins une structure accélératrice d'ions lourds et son utilisation pour réaliser un accélérateur linéaire d'ions lourds.

On connaît des accélérateurs d'ions qui sont constitués par des structures résonnantes munies de tubes de glissement et alimentées par un champ de haute fréquence. De telles structures se divisent en zones accélératrices et en zones de glissement. Les premières sont constituées par les intervalles qui séparent les tubes de glissement, où le champ électrique agit avec la phase correcte sur les ions pour augmenter leur vitesse. Les secondes correspondent à l'espace compris dans lesdits tubes, où les ions sont soustraits au champ quand celui-ci est retardateur.

Les dimensions transversales de ces structures sont de l'ordre de la demi-longueur d'onde de l'onde haute fréquence, lorsqu'elles vibrent selon un mode de type E (c'est le cas notamment des structures dites d'ALVAREZ), et du quart de la longueur d'onde, lorsqu'elles vibrent selon un mode de type TE; elles ne conviennent donc, en fait, qu'à des faisceaux dont l'énergie est assez grande, de l'ordre de quelques MeV/A (méga-électrons-volts par nucléon), pour lesquelles la fréquence HF est élevée, ce qui conduit à des longueurs d'ondes courtes. Pour les énergies beaucoup plus basses, en particulier pour celles qu'on trouve dans la zone d'injection des ions, la longueur d'onde est plus élevée et l'encombrement devient prohibitif.

C'est pour cette raison qu'à l'entrée d'un accélérateur d'ions, on utilise souvent des structures à lignes sous écran ou de type coaxial, structures qui introduisent des singularités dans la distribution du champ, ce qui permet d'obtenir des résonances avec des dimensions transversales très inférieures à la longueur d'onde.

L'inconvénient essentiel de ces structures réside en ce que la distribution longitudinale de la tension accélératrice entre tubes de glissement présente approximativement la forme d'une sinusoïde, ce qui entraîne, d'ime part, que la tension accélératrice s moyenne est de l'ordre de f fois seulement la tension maximale et, d'autre part, que cette distribution étant elle-même fonction de l'implantation des tubes de glissement, la conception d'une telle structure ne peut s'étudier que par approximations successives.

C'est pourquoi généralement le coaxial ou la ligne sont sup-io portés de point en point par une section court-circuitée de longueur voisine de % ce qui permet d'imposer en chaque point des conditions aux limites telles que la distribution de tension devient voisine d'une succession d'arches de sinusoïdes. L'inconvénient de cette méthode est que la partie de la cavité utile à l'accélération se i5 voit adjoindre des appendices latéraux encombrants, dans lesquels se dissipe la majeure partie de l'énergie, car c'est à leurs extrémités court-circuitées que l'on observe les ventres d'intensité, sans qu'ils contribuent pour autant à l'accélération des ions.

On a proposé également, pour remédier à ces inconvénients, 20 des structures accélératrices formées d'une cavité résonnante à l'intérieur de laquelle sont disposés deux supports conducteurs longitudinaux fixés par l'une de leurs extrémités respectivement sur la face d'entrée et la face de sortie de la cavité, les deux supports étant ainsi en résonance quart d'onde et en opposition de 25 phase; les tubes de glissement sont reliés électriquement alternativement à l'un ou à l'autre des deux supports.

Ces cavités conduisent à des difficultés de réalisation et de montage, car il est difficile d'avoir accès aux tubes de glissement lorsque ceux-ci sont montés dans la cavité puisqu'alors, et par 30 construction, la cavité se trouve fermée par ses deux faces d'extrémité.

L'invention ajustement pour objet un dispositif comprenant une cavité de ce genre dans laquelle cet inconvénient est supprimé. A cette fin, les supports conducteurs longitudinaux sont reliés non 35 plus aux faces d'extrémités, mais à la paroi latérale de la cavité.

De façon plus précise, la présente invention a pour objet un dispositif comprenant au moins une structure accélératrice comprenant une cavité résonnante à l'intérieur de laquelle sont disposés au moins deux supports conducteurs longitudinaux électrique-40 ment reliés par l'une de leurs extrémités à la cavité, de telle manière qu'ils soient en résonance quart d'onde et en opposition de phase, des tubes de glissement étant reliés électriquement alternativement à l'un ou à l'autre des deux supports, caractérisé en ce que lesdits supports sont électriquement reliés respective-45 ment à l'une et à l'autre des extrémités de la face latérale de la cavité.

Dans une première variante, la cavité ne comprend que deux supports disposés symétriquement par rapport à l'axe de la cavité.

Dans une seconde variante, plus complexe, mais qui conduit à so une meilleure rigidité, la cavité comprend deux paires de supports, les supports d'une même paire étant disposés symétriquement par rapport à l'axe de la cavité, chaque tube de glissement étant relié aux deux supports d'une même paire.

Dans chacune de ces variantes, les supports peuvent être soit 55 montés en porte à faux, soit reliés à la paroi latérale par un isolateur.

En plus de l'avantage qu'elle confère sur le plan du montage, une telle structure présente celui de se prêter à une association de plusieurs structures mises bout à bout. En outre, le caractère 60 compact de la structure facilite la réalisation de cellules accélératrices supraconductrices.

Le dispositif de l'invention se prête également à la réalisation d'un accélérateur d'ions à énergie réglable. On sait, à cet égard, que l'énergie des ions délivrés par un accélérateur de particules 65 dépend de la géométrie de l'accélérateur et des caractéristiques du champ d'accélération (fréquence et intensité). Différentes méthodes ont dès lors été proposées pour obtenir une énergie réglable :

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— en réglant la fréquence de fonctionnement, mais cela entraîne une grande complexité de l'installation,

— en modifiant la géométrie de la structure, mais cela nécessite de longues interruptions de fonctionnement de la machine,

— en divisant l'accélérateur, ou du moins une partie de celui-ci, en un assez grand nombre de sections élémentaires comportant chacune un seul intervalle d'accélération (solution adoptée pour l'UNILAC de Darmstadt) ou un seul tube de glissement (solution proposée à Heidelberg) dont on peut régler individuellement le champ et la phase. Cette dernière méthode, d'une part, complique beaucoup la construction de la machine et, d'autre part, nuit au rendement et accroît, par conséquent, la puissance haute fréquence d'alimentation.

Pour remédier à ces inconvénients, l'accélérateur peut se composer d'un nombre réduit de sections agencées comme suit: si l'on considère la nième section, les n — 1 premières sections accélèrent les particules jusqu'à une vitesse vn -1. La nième section est conçue pour accélérer la particule synchrone de la vitesse vn-i à une vitesse vn supérieure. Toutefois, cette section est suffisamment courte pour qu'une particule puisse être accélérée, moyennant une diminution du champ HF et un ajustement convenable de la phase de celui-ci, selon un processus non synchrone, à une vitesse v' comprise entre v„_ i et v„<, cette particule étant en avance sur la particule synchrone à l'entrée de la section considérée, en retard après. Par exemple, une structure de longueur limitée à une dizaine de ßX au plus (où ß=| est le rapport de la vitesse de la particule à celle de la lumière et X la longueur d'onde dans le vide du champ accélérateur) est susceptible d'accélérer des particules à une énergie réglable de façon très simple entre la valeur Wn et la valeur 2Wn où W„ est l'énergie par nucléon obtenue.

Un accélérateur d'ions ainsi composé est de réalisation très simple et économique, car il comporte un nombre réduit de sections accélératrices, chaque section étant de construction simple, puisque travaillant à fréquence fixe. En outre, le rendement (déterminé par la valeur de l'impédance-shunt) de ces sections est bien meilleur que dans le cas de cavités à un seul tube de glissement ou à un seul intervalle d'accélération.

L'invention a donc également pour objet l'utilisation du dispositif qui a été défini à la réalisation d'un accélérateur d'ions lourds, notamment d'un accélérateur à énergie réglable, dans lequel la dernière structure accélératrice en fonctionnement est alimentée par un champ haute fréquence d'amplitude et de phase réglables.

De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux après la description, qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :

— la fig. 1 représente schématiquement et en coupe la structure selon l'invention dans la première variante à deux supports;

— la fig. 2 représente schématiquement des moyens de liaison de l'extrémité d'un support à la paroi latérale;

— la fig. 3 illustre une seconde variante dans laquelle la cavité comprend deux paires de supports ;

— la fig. 4 représente schématiquement et en coupe longitudinale un ensemble de trois structures accélératrices selon l'invention, montées bout à bout;

— la fig. 5 représente une courbe montrant l'évolution de l'énergie des ions, à la sortie des cinq sections d'accélération d'un appareil après préaccélération dans des sections selon l'invention.

Sur la fig. 1, qui est une coupe longitudinale, la structure représentée comprend une cavité résonnante 14 à l'intérieur de laquelle sont disposés deux supports conducteurs longitudinaux 16 et 18. Le support 16 est relié électriquement et mécaniquement par l'une de ses extrémités à l'extrémité 20 de la paroi latérale de la cavité et le support 18 à l'extrémité 22 opposée. Les autres extrémités des supports, respectivement 24 et 26, ne sont pas reliées électriquement à la cavité, mais peuvent l'être éventuellement mécaniquement. Les tubes de glissement 28 et 30 sont reliés, électriquement et mécaniquement, alternativement aux deux supports 16 et 18; en d'autres termes, les tubes 28 sont reliés au support 16 et les tubes 30 au support 18.

Dans ces conditions, les supports 16 et 18 résonnent en quart d'onde et en opposition de phase l'un par rapport à l'autre. La tension entre les tubes de glissement varie relativement peu d'un intervalle à l'autre : elle présente un maximum au centre de la cavité et un minimum, inférieur d'environ 30%, à chaque extrémité.

Les points de fixation des supports sur la paroi latérale peuvent être éloignés des extrémités de la paroi d'une distance qui est de l'ordre d'une fraction de la longueur d'onde de fonctionnement, par exemple inférieure à X/5.

La fixation des supports aux deux extrémités opposées de la paroi de la cavité entraîne que le courant I, parcourant un support, est progressivement dérivé vers l'autre support à travers les capacités dues aux tubes de glissement. Dans ces conditions, le champ magnétique B est essentiellement transversal dans la cavité; celle-ci se comporte, en première approximation, comme une self-inductance associée à une capacité provenant des conducteurs longitudinaux et des tubes de glissement, l'ensemble constituant ainsi un circuit résonnant.

Cette disposition donne à la structure une inductance de valeur importante, donc une fréquence de résonance relativement basse en dépit des dimensions transversales réduites, et conduit à une répartition relativement homogène des courants, ce qui entraîne des pertes haute fréquence modérées, donc une impédance-shunt acceptable.

Les supports des tubes de glissement peuvent être montés en porte à faux, comme c'est le cas pour la structure de la fig. 1, mais ils peuvent être aussi maintenus à leur extrémité libre, comme il est représenté sur la fig. 2. Un isolateur 40 prend appui sur la paroi extérieure 14 de l'enveloppe et soutient le support 18. L'isolateur représenté est creux et il peut être éventuellement refroidi par de l'air.

Selon une seconde variante de réalisation, la cavité comprend deux paires de supports au lieu d'une seule, comme il est illustré sur la fig. 3. La première paire de supports est constituée par les conducteurs 16a et 16b et la seconde par les conducteurs 18a et 18b, les seconds étant disposés de préférence dans un plan perpendiculaire à celui des premiers. Les tubes de glissement sont alternativement reliés à l'une ou l'autre de ces paires, pour former une structure cruciforme à rigidité accrue.

La conception de la structure accélératrice de l'invention se prête bien à l'association bout à bout de plusieurs sections,

comme il est représenté sur la fig. 4. Sur cette figure, qui est une coupe longitudinale, trois cellules d'accélération A, B, C sont représentées, qui comprennent chacune deux supports 16 et 18, auxquels sont reliés des tubes de glissement respectivement 28 et 30.

A titre explicatif et nullement limitatif, il peut être indiqué qu'une cavité, conforme à l'invention et résonnant à 100 MHz, présente un diamètre de 20 cm environ et une longueur voisine de 50 cm. Ses caractéristiques se prêtent bien à la réalisation d'une cavité supraconductrice qui conduit à une réalisation plus rigide que les hélices généralement utilisées et qui fournit, par section accélératrice, une accélération plus importante que les anneaux fendus également utilisés.

Pour une cavité qui résonne au voisinage de 25 MHz, la longueur approximative est de 2 m pour un diamètre de 50 cm. Dans ces conditions, pour des particules de 250 keV/A, l'impé-dance-shunt est comprise entre 50 et 100 Mfl/A, selon le diamètre des tubes de glissement.

A titre d'application, est décrit maintenant un accélérateur linéaire d'ions lourds à énergie réglable. Cet accélérateur comprend un préaccélérateur et une section d'accélération à énergie réglable.

A l'entrée du préaccélérateur, les ions, dont le rapport q/A de leur nombre de charges électroniques à leur nombre de masse

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peut être aussi faible que 0,046 par exemple, sont injectés par un injecteur électrostatique avec une énergie qui peut être aussi basse que 12 keV/A dans une première section accélératrice, après avoir traversé un groupeur.

La faible vitesse des ions entraîne deux conséquences :

— la nécessité d'utiliser, dans cette section, une longueur d'onde relativement grande, 12 m par exemple, ce qui correspond à une fréquence de 25 MHz,

— la difficulté de maintenir le faisceau focalisé, qui implique le recours à une focalisation interne.

Pour faciliter celle-ci, cette première section est constituée d'un coaxial ou d'une ligne classique vibrant en quart d'onde; le champ accélérateur, minimal à l'entrée où les difficultés de focalisation sont les plus aiguës, va ensuite croissant.

A la sortie de cette section, d'une longueur voisine de 1,5 m, l'énergie atteinte est d'environ de 50 keV/A. Il est encore nécessaire d'utiliser une focalisation interne, mais le champ peut être sensiblement constant. Cette partie de 8 m de long, fonctionnant toujours à 25 MHz, est utilement réalisée sous forme de structures compactes, et elle amène l'énergie des ions au voisinage de 0,4 MeV/A.

Ceux-ci peuvent alors subir un épluchage qui porte leur rapport £ au voisinage de 0,12. Leur vitesse est alors suffisante pour qu'ils soient accélérés par un champ de fréquence 50 MHz. Il n'est plus alors nécessaire de recourir à une focalisation interne: la machine peut être divisée en sections de structure compacte de longueur de l'ordre de quelques mètres (trois par exemple), qui ne comportent pas de focalisation interne, les optiques de focalisation étant externes.

Une longueur totale voisine de 12 m pour cette deuxième section permet d'amener les ions à une énergie de 1,8 MeV/A environ.

Après leur avoir fait subir un épluchage qui amène leur rap-5 port ^ à au moins 0,21, on peut injecter les ions dans l'accélérateur à énergie variable proprement dit. Celui-ci consiste en une suite de structures accélératrices, cinq par exemple, si l'on veut atteindre une énergie voisine de 8 MeV/A.

Les structures de l'accélérateur proprement dit peuvent être io soit de type connu, soit de type compact décrit plus haut, en particulier si l'on utilise la supraconductivité. Dans l'exemple décrit, elles sont du type connu.

La longueur des structures compactes doit être:

1. assez grande pour conduire à une solution économique et 15 fiable et éviter une multiplication inutile du nombre des sections,

2. assez courte pour ne pas nécessiter de focalisation interne, ce qui facilite la construction et permet d'accroître dans une grande mesure l'impédance-shunt, par suite de la diminution ainsi rendue possible du diamètre des tubes de glissement (quelques

20 centimètres),

3. assez courte pour être compatible avec une bonne résolution relative en énergie (meilleure que 10"3 par exemple), le réglage d'énergie étant obtenu par un réglage de l'intensité du champ haute fréquence assorti d'un ajustement de la phase dans

25 la dernière cavité utilisée.

Cette longueur peut être par exemple de 3 m environ si l'on travaille à une fréquence de 100 MHz.

La fig. 5 représente l'évolution de l'énergie des ions (dans le cas de 40Ca) exprimée en MeV/A, à la sortie des différentes 30 sections repérées en abscisses par leur rang.

R

2 feuilles dessins

Claims

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1. Dispositif comprenant au moins une structure accélératrice d'ions lourds, comprenant une cavité résonnante à l'intérieur de laquelle sont disposés au moins deux supports conducteurs longitudinaux électriquement reliés par l'une de leurs extrémités à la cavité, de telle manière qu'ils soient en résonance quart d'onde et en opposition de phase, des tubes de glissement étant reliés électriquement alternativement à l'un ou à l'autre des deux supports, caractérisé en ce que lesdits supports sont électriquement reliés respectivement à l'une et à l'autre des extrémités de la face latérale de la cavité.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux supports disposés symétriquement par rapport à l'axe de la cavité.

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REVENDICATIONS

3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux paires de supports, les supports d'une même paire étant disposés symétriquement par rapport à l'axe de la càvité, chaque tube de glissement étant relié aux deux supports d'une même paire.

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les supports sont montés en porte à faux.

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les supports sont reliés à la paroi latérale de la cavité par un isolateur disposé à leur extrémité électriquement libre.

6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5 , caractérisé ce qu'il est composé de plusieurs structures, lesdites structures étant mises bout à bout.

7. Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 à la réalisation d'un accélérateur linéaire d'ions lourds.

8. Utilisation selon la revendication 7, caractérisée en ce que la dernière structure accélératrice est alimentée par un champ haute fréquence d'amplitude et de phase réglables.