EP0012054A1 - Ion beam bundling device with two acceleration intervals of differing lengths, working in a broad range of speeds - Google Patents

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EP0012054A1
EP0012054A1 EP79400855A EP79400855A EP0012054A1 EP 0012054 A1 EP0012054 A1 EP 0012054A1 EP 79400855 A EP79400855 A EP 79400855A EP 79400855 A EP79400855 A EP 79400855A EP 0012054 A1 EP0012054 A1 EP 0012054A1
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EP
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interval
ions
grouper
ion beam
electric field
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Jacques Pottier
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/14Vacuum chambers
    • H05H7/18Cavities; Resonators
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21KTECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G21K1/08Deviation, concentration or focusing of the beam by electric or magnetic means

Definitions

  • the present invention relates to an ion beam grouper-unbundler, at asymmetrical intervals, and operating in a wide speed range. It finds application in ion acceleration installations.
  • an ion beam grouper or ungrouper is constituted by a resonant structure supplied by a high frequency or hyper-frequency source, and crossed by an ion beam so that the electric field established in the structure modulates the ion velocity appropriately.
  • the modulation on the speed has the effect of accelerating the slow ions more than the fast ions, which allows grouping in packets of small spatial extent at a determined distance from the consolidator; the speeds of the different ions constituting a pack are then distributed over a wider range.
  • Consolidators are used in ion acceleration systems when, for example, time of flight experiments or any injection into a high frequency accelerator is desired.
  • modulation has the effect of increasing low speeds and reducing high speeds, which makes it possible to reduce the speed dispersion of the ions.
  • Such an apparatus is used when it is desired to use monoenergetic ions, without particular concern over the width of the packet of ions.
  • FIGS 1 and 2 recall, in broad outline, the principles of construction and operation of these two devices.
  • FIG. 1 On part (a) of FIG. 1 is shown a resonant structure constituted by a wall 2 closed at its two ends by lateral faces 4 and 6 crossed respectively by inlet 8 and outlet 10 conduits of a beam d 'ions 12.
  • the structure shown further comprises a sliding tube 14 connected to the wall 2 by a conductive support 16. This tube slip is separated from the conduits 8 and 10 by two identical intervals I 1 and 1 2 . All these parts are conductive and for example metallic.
  • Part (b) of this same figure 1 illustrates the electrical diagram of the structure shown in part (a).
  • These two conduits 8 and 10 are connected to ground (or more generally to a reference potential) and the sliding tube 14 is brought to an alternating voltage V due to the high frequency (or hyper-frequency) field prevailing in the structure (this voltage V being counted from said reference potential).
  • the intervals I 1 and 1 2 each have a length 1 and their centers are distant from the length L. The same mean electric field V / 1 therefore prevails in these two intervals.
  • the diagrams in FIG. 2 illustrate the operation of the device in FIG. 1.
  • the ions of average speed penetrate in the interval I 1 at the instant t 0 (part a), the distance z which they travel is plotted on the ordinate as a function of the times on the abscissa.
  • These ions are subjected (b) to an electric field E 0 during their crossing of the interval I 1 , this field modifying their speed slightly, (this modification of speed is generally small compared to the speed proper).
  • a decoupler placed at a distance z receives ions at time t ' o and applies a field E' 0 to them .
  • Faster ions have reached the interaction interval of the unbundler at time t 'prior to t' 0 . They are subjected to a field E ' 1 weaker than E' 0 .
  • the slower ions which reach the ungrouper at t ' 2 , they see in the interaction interval a field E' 2 greater than E ' 0 .
  • the ions are driven at substantially equal speeds, but correlatively, they occupy an extended part of the space.
  • the voltages usually encountered in ion beam groupers are defined by two imperatives: the speed modulation provided to the beam must be low compared to the speed of said beam, and the voltage d acceleration must be great in front of the natural fluctuations of the beam. In practice, voltages of the order of a few tens of kilovolts or less are used.
  • the voltages used in the unbundlers are of the order of magnitude of the dispersion in beam energy and can be between 10 kV and 100 kV approximately.
  • FIG. '1 is, among the known structures, that which most closely resembles the invention. We can consider that it is formed of a first part constituted by the tube 16, the faces 4 and 6 and the wall 2, this part being equivalent to a resonant line in X / 4, if ⁇ is the wavelength of the electromagnetic field introduced into the structure and of a second part constituted by the intervals Il and I 2 which are zones of a capacitive nature.
  • This structure of the prior art requires that the actions exerted by the electric field on the ions in the two interaction intervals are cumulative. This implies that the ions travel the distance L separating these two intervals in a time which is a odd multiple of the half-period T of the field. This structure of the prior art therefore only works correctly if the ions are driven at a speed close to 2L / T (or a multiple of this speed).
  • the subject of the invention is precisely a grouper-unbundler which simultaneously remedies these two drawbacks.
  • the grouper-unbundler of the invention is of the type which includes two intervals and, as such, it benefits from the advantage offered by this family of devices, namely a small footprint.
  • the grouper-unbundler of the invention does not have the disadvantage of having a speed range close and this thanks to an original arrangement of the two interaction intervals.
  • the grouper-unbundler of the invention can therefore operate in a wide range of speeds while having a small footprint.
  • the present invention relates to an ion beam grouping-ungrouping unit, of the type which includes a resonant structure supplied by a high frequency or hyper frequency generator, this structure comprising a cylindrical wall closed by two lateral faces traversed respectively by an inlet duct and a beam outlet duct, and comprising a sliding tube disposed between said ducts and defining with the inlet duct a first interval and with the outlet duct a second interval, the ion beam being introduced into this structure through the inlet duct, first undergoing, in the first interval, a first action from the electric field which prevails there, then traversing the sliding tube and finally undergoing in the second interval a second action on the part of the electric field which reigns there and leaving the structure by the outlet conduit;
  • this consolidator-unbundler is characterized in that the two intervals defined by the sliding tube and the inlet and outlet conduits are highly asymmetrical, one of the two intervals providing the ion beam with an electric field much lower than that offered by l 'other
  • the grouper-unbunder of the invention is characterized in that the interval with weak action has a length such that it is traversed by the ion beam in a large time in front of the half resonance period of the structure.
  • the grouper-unbunder of the invention is characterized in that the inlet and outlet conduits have different sections, the sliding tube having a flared shape passing from a small section equal to that of the 'one of the conduits with a strong section equal to that of the other conduit.
  • Figures 1 and 2 relate to the prior art and have already been described.
  • the first interval crossed by the ion beam is the predominantly acting interval, the second interval occurring negligibly. But it goes without saying that this order could be reversed, the beam being able to penetrate first in the interval with negligible action.
  • the structures described can also function as a grouper.
  • FIG. 3 firstly illustrate a first variant of the invention.
  • an inlet conduit 20 there is an inlet conduit 20, a sliding tube 22 and finally, an outlet tube 24.
  • An ion beam 26 successively passes through these three elements which are brought to respectively equal potentials at O, V and O.
  • the real structure is represented in FIG. 4. It is supplied by a source 28, high frequency or microwave, the means for coupling this source to the resonant structure not being shown explicitly, because they are well known to those skilled in the art.
  • the inlet conduit 20 and the sliding tube 22 define a first interval I 1 , of length 1 1 which is the seat of an electric field of average value V / 1 1 .
  • the length 1 1 is chosen to be short enough so that the transit time of the ions is less than the half-period T / 2 of the field. So we have: 1 1 ⁇ as in the prior art.
  • the sliding tube 22 and the outlet conduit 24 define a second interval I 2 , of length 1 2 much larger than 1 1 .
  • This difference between the lengths 1 1 and 1 2 has two consequences: the first is that the mean electric field V / 1 2 which prevails in the second interval is much weaker than the mean field V / 1 1 which prevails in the first; the second is that the length 1 2 is no longer small in front as is 1 1 , so that the transit time of the ions through this interval can reach or even exceed the period T of the field. It therefore changes direction during this transit, so that its net action on the ions is very weak.
  • FIG. 5 illustrates a second variant of the invention.
  • the device shown also comprises an inlet duct 30, a sliding tube 32 and an outlet duct 34.
  • this outlet duct has a larger section than the inlet duct.
  • the sliding tube then has a flared shape which constitutes a transition between the inlet and outlet conduits.
  • the average electric field V / 1 2 which prevails between the sliding tube 32 and the outlet pipe 34 is therefore the same as that which prevails between the inlet pipe 30 and the sliding pipe 32. But this is the field which prevails in an area distant from that crossed by the ion beam.
  • the field which acts on the ions is in fact different from that which prevails at the level of the outlet conduit.
  • I 0 is the modified Bessel function of the first kind and of order 0 and ⁇ the ratio of the speed v of the ions to that of light and ⁇ the wavelength of the field in vacuum. If we denote by x the quantity , the serial development of I 0 is: 1 + + ...
  • the field E 0 on the axis is therefore less than the field E a (which is on average equal to V / 1 2 ) and can be significantly less than this field.
  • E a which is on average equal to V / 1 2
  • I 0 ⁇ 28 we have I 0 ⁇ 28.
  • the second interval I 2 therefore plays a negligible role compared to that played by I 1 , because the field on the y axis is much weaker than in the first.
  • This already erased role played by the interval 1 2 can be further reduced in a third variant, if this interval is lengthened, as shown in FIG. 6, until it has a long length 1 2 in front of vT. Then, as in the variant illustrated in FIGS. 3 and 4, the field acts in directions which vary during the crossing of the ions, which reduces its net action.
  • the structure shown in this figure comprises a cavity 40, inlet 42 and outlet 44 conduits, a sliding tube 46, a spiral conductor 48 forming self-inductance; the spaces between the tube 46 and the conduits 42 and 44 constitute capacitive zones. This arrangement makes it possible to significantly reduce the size of the structure.
  • the cavity can be tunable by variations of certain dimensions.

Abstract

Groupeur-dégroupeur de faisceau d'ions, comprenant dux intervalles (I1, I2) d'interaction définis par un tube de glissement (22) et des conduits d'entrée (20) et de sortie (24), fortement dissymétriques, l'un des dux intervalles offrant au faisceau d'ions un champ électrique 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. Application aux installations d'accélérations d'ions.Ion beam grouper-unbundler, comprising two interaction intervals (I1, I2) defined by a sliding tube (22) and highly asymmetrical inlet (20) and outlet (24) conduits, the one of the two intervals offering the ion beam an electric field much lower than that offered by the other interval, the action exerted in said interval by the electric field on the ions then being negligible compared to that which is exerted in the another interval. Application to ion acceleration installations.

Description

La présente invention a pour objet un groupeur-dégroupeur de faisceau d'ions, à intervalles dissymétriques, et fonctionnant dans une large gamme de vitesse. Elle trouve une application dans les installations d'accélération d'ions.The present invention relates to an ion beam grouper-unbundler, at asymmetrical intervals, and operating in a wide speed range. It finds application in ion acceleration installations.

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.It is known that an ion beam grouper or ungrouper is constituted by a resonant structure supplied by a high frequency or hyper-frequency source, and crossed by an ion beam so that the electric field established in the structure modulates the ion velocity appropriately.

Dans un groupeur, la modulation sur la vitesse a pour effet d'accélérer davantage les ions lents que les ions rapides, ce qui permet un regroupement en paquet de faible étendue spatiale à une distance déterminée du groupeur ; les vitesses dés 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.In a consolidator, the modulation on the speed has the effect of accelerating the slow ions more than the fast ions, which allows grouping in packets of small spatial extent at a determined distance from the consolidator; the speeds of the different ions constituting a pack are then distributed over a wider range. Consolidators are used in ion acceleration systems when, for example, time of flight experiments or any injection into a high frequency accelerator is desired.

Dans un dégroupeur, la modulation a pour effet d'augmenter les vitesses faibles et de réduire les vitesses élevées, ce qui permet 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.In an unbundler, modulation has the effect of increasing low speeds and reducing high speeds, which makes it possible to reduce the speed dispersion of the ions. Such an apparatus is used when it is desired to use monoenergetic ions, without particular concern over the width of the packet of ions.

Les figures 1 et 2 rappellent, dans leurs grandes lignes, les principes de construction et de fonctionnement de ces deux appareils.Figures 1 and 2 recall, in broad outline, the principles of construction and operation of these two devices.

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 I1 et 12 identiques. Toutes ces pièces sont conductrices et par exemple métalliques.On part (a) of FIG. 1 is shown a resonant structure constituted by a wall 2 closed at its two ends by lateral faces 4 and 6 crossed respectively by inlet 8 and outlet 10 conduits of a beam d 'ions 12. The structure shown further comprises a sliding tube 14 connected to the wall 2 by a conductive support 16. This tube slip is separated from the conduits 8 and 10 by two identical intervals I 1 and 1 2 . All these parts are conductive and for example metallic.

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 I1 et 12 présentent chacun une longueur 1 et leurs centres sont distants de la longueur L. Un même champ électrique moyen V/1 règne donc dans ces deux intervalles.Part (b) of this same figure 1 illustrates the electrical diagram of the structure shown in part (a). These two conduits 8 and 10 are connected to ground (or more generally to a reference potential) and the sliding tube 14 is brought to an alternating voltage V due to the high frequency (or hyper-frequency) field prevailing in the structure (this voltage V being counted from said reference potential). The intervals I 1 and 1 2 each have a length 1 and their centers are distant from the length L. The same mean electric field V / 1 therefore prevails in these two intervals.

Les schémas de la figure 2 illustrent le fonctionnement du dispositif de la figure 1. Les ions de vitesse moyenne pénètrent dans l'intervalle I1 à l'instant t0 (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 E0 pendant leur traversée de l'intervalle I1, 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 I1 à l'instant t1 antérieur à t0. Ils sont soumis à un champ E1 plus faible que E0 Inversement, des ions plus lents n'atteignent l'intervalle I1 qu'à l'instant t2 > t0 et ces derniers voient un champ E2 plus intense que E0. 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.The diagrams in FIG. 2 illustrate the operation of the device in FIG. 1. The ions of average speed penetrate in the interval I 1 at the instant t 0 (part a), the distance z which they travel is plotted on the ordinate as a function of the times on the abscissa. These ions are subjected (b) to an electric field E 0 during their crossing of the interval I 1 , this field modifying their speed slightly, (this modification of speed is generally small compared to the speed proper). Faster ions than the previous ones reached the interval I 1 at time t 1 before t 0 . They are subjected to a field E 1 weaker than E 0 Conversely, slower ions reach the interval I 1 only at time t 2 > t 0 and the latter see a field E 2 more intense than E 0 . The relative magnitudes of the fields are therefore such that the slowest ions will be able to join the fastest ions: this is the grouping operation.

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 sinusoi- dale ou une somme de modulations sinusoidales beaucoup plus facile à obtenir, cette modulation n'étant utilisée que sur une partie sensiblement linéaire. Les ions qui pénètrent dans l'intervalle Il 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 z0 de l'intervalle I1.This mechanism obviously assumes that the electric field grows over time appropriately. In practice, we rarely use the ideal modulation which would be linear, but rather a sinusoidal modulation or a sum of sinusoidal modulations much easier to obtain, this modulation being used only on a substantially linear part. The ions which enter the interval II at periods when the field does not exhibit the appropriate variation are obviously not grouped. But, for the others, we observe a grouping at a distance z 0 of the interval I 1 .

Dans un dégroupeur d'ions, le mécanisme 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 t'o et leur applique un champ E'0. Des ions plus rapides ont atteint l'intervalle d'interaction du dégroupeur à l'instant t' 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 corrélativement, ils occupent une partie étendue de l'espace.In an ion decoupler, the mechanism is analogous to the difference that it tends to reduce the energy deficit of slow ions and reduce the excess energy of fast ions. A decoupler placed at a distance z receives ions at time t ' o and applies a field E' 0 to them . Faster ions have reached the interaction interval of the unbundler at time t 'prior to t' 0 . They are subjected to a field E ' 1 weaker than E' 0 . As for the slower ions, which reach the ungrouper at t ' 2 , they see in the interaction interval a field E' 2 greater than E ' 0 . At the exit of the unbundler, the ions are driven at substantially equal speeds, but correlatively, they occupy an extended part of the space.

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 :Both in a grouper and in a degrouper, the intervals where the ions undergo the action of the electric field must be short enough so that the transit time of the ions is less than the half-period of the field. If v is the speed of the ions and T the period, we must therefore have:

Figure imgb0001
Figure imgb0001

A titre explicatif, on peut indiquer que les tensions que l'on rencontre 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.By way of explanation, it can be indicated that the voltages usually encountered in ion beam groupers are defined by two imperatives: the speed modulation provided to the beam must be low compared to the speed of said beam, and the voltage d acceleration must be great in front of the natural fluctuations of the beam. In practice, voltages of the order of a few tens of kilovolts or less are used.

Quant aux tensions utilisées 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.As for the voltages used in the unbundlers, they are of the order of magnitude of the dispersion in beam energy and can be between 10 kV and 100 kV approximately.

Au sujet de ces appareils, on pourra consulter l'article de E.L. HUBBARD et al intitulé "Heavy-Ion Linear Accelerator" publié dans la revue "The Review of Scientific Instruments", vol. 32, N° 6, juin 1961, page 621 et 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, N°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, N° 2, février 1955, page 210.On these devices, see the article by E.L. HUBBARD et al entitled "Heavy-Ion Linear Accelerator" published in the review "The Review of Scientific Instruments", vol. 32, No. 6, June 1961, page 621 and the article by JS SOKOLOWSKI et al entitled "Status Report on Stanford's Superconducting Heavy Ion Linear Project" published in the journal "IEEE Transactions on Nuclear Science", vol NS-24, N ° 3, June 1977, page 1141, and finally the article by B. CORK entitled "Proton Linear Accelerator Injector for the Bevatron" and published in the review "The Review of Scientific Instruments" vol. 26, No. 2, February 1955, page 210.

Ces généralités ayant été rappelées, il est possible de définir l'invention par rapport à 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 tube 16, les faces 4 et 6 et la paroi 2, cette partie étant équivalente à une ligne résonnante en X/4, si λ est la longueur d'onde du champ électromagnétique introduit dans la structure et d'une seconde partie constituée par les intervalles Il et I2 qui sont des zones de nature capacitive.These generalities having been recalled, it is possible to define the invention in relation to the prior art. The structure shown in Figure '1 is, among the known structures, that which most closely resembles the invention. We can consider that it is formed of a first part constituted by the tube 16, the faces 4 and 6 and the wall 2, this part being equivalent to a resonant line in X / 4, if λ is the wavelength of the electromagnetic field introduced into the structure and of a second part constituted by the intervals Il and I 2 which are zones of a capacitive nature.

L'intérêt d'une telle structure est de présenter un encombrement faible (inférieur à λ/4) alors que pour les structures à un seul intervalle d'interaction, les dimensions sont de l'ordre de λ/2, ce qui devient prohibitif pour des fréquences de travail inférieures à 100 MHz (la demi-longueur d'onde est alors égale à 1,5m).The advantage of such a structure is that it has a small footprint (less than λ / 4) whereas for structures with a single interaction interval, the dimensions are of the order of λ / 2, which becomes prohibitive for working frequencies lower than 100 MHz (the half-wavelength is then equal to 1.5m).

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).This structure of the prior art requires that the actions exerted by the electric field on the ions in the two interaction intervals are cumulative. This implies that the ions travel the distance L separating these two intervals in a time which is a odd multiple of the half-period T of the field. This structure of the prior art therefore only works correctly if the ions are driven at a speed close to 2L / T (or a multiple of this speed).

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.This constraint imposed on the speed of the ions is troublesome in most applications of groupers and unbundlers. Indeed, these devices are generally used in installations comprising, for example and successively, an ion source, an injector, a first accelerator (of the Van de Graaf type for example), a second accelerator (of the linear type for example ). However, in such installations, it is frequent to have to vary the energy of the ions, which amounts to modifying their speed, or to pass from one type of ions to another with constant energy, which involves another change in their speed.

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.It is therefore not possible to use the devices described in all cases and they must be modified in their size as required, which is inconvenient.

Certes, 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.Admittedly, devices with a single acceleration interval are known which do not have this drawback by the very fact of the uniqueness of this interval. But as has already been pointed out above, these devices have a major drawback because of their bulk which is all the greater the lower the frequency.

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.The subject of the invention is precisely a grouper-unbundler which simultaneously remedies these two drawbacks. To this end, the grouper-unbundler of the invention is of the type which includes two intervals and, as such, it benefits from the advantage offered by this family of devices, namely a small footprint. Furthermore, the grouper-unbundler of the invention does not have the disadvantage of having a speed range close and this thanks to an original arrangement of the two interaction intervals.

Le groupeur-dégroupeur de l'invention peut donc fonctionner dans une large gamme de vitesses tout en présentant un faible encombrement.The grouper-unbundler of the invention can therefore operate in a wide range of speeds while having a small footprint.

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 de modulation 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.This double aim is achieved by the use of two intervals which are no longer symmetrical, as in the prior art, but on the contrary very asymmetrical, one of them being the seat of an electric field which is weak compared to the field that reigns in the other. The contribution of this interval in the speed modulation process is then negligible compared to that of the other interval. It follows that the condition on the cumulative nature of the two actions exerted by the field in the two intervals disappears and with it, the constraint on the travel time of the ions from one interval to another.

De façon plus précise, la présente invention a pour objet un groupeur-dégroupeur de faisceau d'ions, du genre de ceux 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 faisceau, 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 électrique 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.More specifically, the present invention relates to an ion beam grouping-ungrouping unit, of the type which includes a resonant structure supplied by a high frequency or hyper frequency generator, this structure comprising a cylindrical wall closed by two lateral faces traversed respectively by an inlet duct and a beam outlet duct, and comprising a sliding tube disposed between said ducts and defining with the inlet duct a first interval and with the outlet duct a second interval, the ion beam being introduced into this structure through the inlet duct, first undergoing, in the first interval, a first action from the electric field which prevails there, then traversing the sliding tube and finally undergoing in the second interval a second action on the part of the electric field which reigns there and leaving the structure by the outlet conduit; this consolidator-unbundler is characterized in that the two intervals defined by the sliding tube and the inlet and outlet conduits are highly asymmetrical, one of the two intervals providing the ion beam with an electric field much lower than that offered by l 'other interval, the action exerted in said interval by the electric field on the ions, then being negligible compared to that which is exerted in the other interval.

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.According to a first variant, the grouper-unbunder of the invention is characterized in that the interval with weak action has a length such that it is traversed by the ion beam in a large time in front of the half resonance period of the structure.

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.According to a second variant, the grouper-unbunder of the invention is characterized in that the inlet and outlet conduits have different sections, the sliding tube having a flared shape passing from a small section equal to that of the 'one of the conduits with a strong section equal to that of the other conduit.

Selon une troisième variante, les deux dispositions précédentes sont combinées.According to a third variant, the two preceding arrangements are combined.

De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux après la description qui va suivre, d'exemples de réalisation donnés à titre 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 une 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.
In any case, the characteristics and advantages of the invention will appear better after the description which follows, of embodiments given by way of explanation and in no way limitative. This description refers to drawings in which:
  • FIG. 1 represents a resonant grouper-unbundler structure according to the prior art,
  • FIG. 2 is an explanatory diagram of the operation of a grouper-unbundler,
  • FIG. 3 represents an electrical diagram of a resonant grouper-unbundler structure according to a first variant of the invention,
  • FIG. 4 represents, in section, a structure corresponding to this diagram,
  • FIG. 5 schematically represents a resonant grouper-unbundler structure according to a second variant of the invention,
  • FIG. 6 schematically represents a resonant structure of the grouper-unbundler according to a third variant of the invention,
  • - Figure 7 shows a particular embodiment of a grouper-unbundler according to the invention.

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.Figures 1 and 2 relate to the prior art and have already been described. In the other figures relating to the present invention, it is assumed, by way of illustration, that the first interval crossed by the ion beam is the predominantly acting interval, the second interval occurring negligibly. But it goes without saying that this order could be reversed, the beam being able to penetrate first in the interval with negligible action. Furthermore, in the description which follows, it is a question of a "grouper", but it goes without saying that the structures described can also function as a grouper.

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 O, 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.Figures 3 and 4 firstly illustrate a first variant of the invention. In the diagram of FIG. 3, there is an inlet conduit 20, a sliding tube 22 and finally, an outlet tube 24. An ion beam 26 successively passes through these three elements which are brought to respectively equal potentials at O, V and O. The real structure is represented in FIG. 4. It is supplied by a source 28, high frequency or microwave, the means for coupling this source to the resonant structure not being shown explicitly, because they are well known to those skilled in the art.

Le conduit d'entrée 20 et le tube de glissement 22 définissent un premier intervalle I1, de longueur 11 qui est le siège d'un champ électrique de valeur moyenne V/11. La longueur 11 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 : 11 <

Figure imgb0002
comme dans l'art antérieur.The inlet conduit 20 and the sliding tube 22 define a first interval I 1 , of length 1 1 which is the seat of an electric field of average value V / 1 1 . The length 1 1 is chosen to be short enough so that the transit time of the ions is less than the half-period T / 2 of the field. So we have: 1 1 <
Figure imgb0002
as in the prior art.

Le tube de glissement 22 et le conduit de sortie 24 définissent un second intervalle I2, de longueur 12 beaucoup plus grande que 11.The sliding tube 22 and the outlet conduit 24 define a second interval I 2 , of length 1 2 much larger than 1 1 .

Cet écart entre les longueurs 11 et 12 entraîne deux conséquences : la première est que le champ électrique moyen V/12 qui règne dans le second intervalle est beaucoup plus faible que le champ moyen V/11 qui règne dans le premier ; la seconde est que la longueur 12 n'est plus petite devant

Figure imgb0003
comme l'est 11, 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.This difference between the lengths 1 1 and 1 2 has two consequences: the first is that the mean electric field V / 1 2 which prevails in the second interval is much weaker than the mean field V / 1 1 which prevails in the first; the second is that the length 1 2 is no longer small in front
Figure imgb0003
as is 1 1 , so that the transit time of the ions through this interval can reach or even exceed the period T of the field. It therefore changes direction during this transit, so that its net action on the ions is very weak.

Ces deux particularités du champ - faiblesse de son intensité et alternance pendant la traversée des ions - contribuent 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 sur le temps mis par les ions pour passer d'un intervalle à l'autre, l'instant où les ions pénètrent dans l'intervalle I2 devenant en effet indifférent.These two peculiarities of the field - weakness of its intensity and alternation during the crossing of ions - contribute to make its action negligible compared to that which is exerted in the first interval. It follows that, in such a grouper, the speed of the ions is no longer subject to the condition mentioned above in connection with the prior art and which relates to the time taken by the ions to pass from an interval to l other, the instant when the ions enter the interval I 2 becoming in effect indifferent.

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.FIG. 5 illustrates a second variant of the invention. The device shown also comprises an inlet duct 30, a sliding tube 32 and an outlet duct 34. However, this outlet duct has a larger section than the inlet duct. The sliding tube then has a flared shape which constitutes a transition between the inlet and outlet conduits.

Sur la variante représentée, les intervalles I1 et I2 ont même longueur 1, = 12. Le champ électrique moyen V/12 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 du conduit de sortie. Si l'on suppose que la structure est de révolution autour de l'axe du faisceau, le champ E0 sur cet axe est relié au champ Ea au rayon a, par la relation classique :

Figure imgb0004
où I0 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 λ la longueur d'onde du champ dans le vide. Si l'on désigne par x la quantité
Figure imgb0005
, le développement en série de I 0 est : 1 +
Figure imgb0006
+ ...In the variant shown, the intervals I 1 and I 2 have the same length 1, = 1 2 . The average electric field V / 1 2 which prevails between the sliding tube 32 and the outlet pipe 34 is therefore the same as that which prevails between the inlet pipe 30 and the sliding pipe 32. But this is the field which prevails in an area distant from that crossed by the ion beam. The field which acts on the ions is in fact different from that which prevails at the level of the outlet conduit. If we assume that the structure is of revolution around the beam axis, the field E 0 on this axis is connected to the field E a at radius a, by the classical relation:
Figure imgb0004
where I 0 is the modified Bessel function of the first kind and of order 0 and β the ratio of the speed v of the ions to that of light and λ the wavelength of the field in vacuum. If we denote by x the quantity
Figure imgb0005
, the serial development of I 0 is: 1 +
Figure imgb0006
+ ...

Le champ E0 sur l'axe est donc inférieur au champ Ea (lequel est en moyenne égal à V/12) et peut être nettement inférieur à ce champ. Par exemple pour = 0,01 , λ = 6m (f = 50MHz) et a = 10cm, on a I0 ≃ 28.The field E 0 on the axis is therefore less than the field E a (which is on average equal to V / 1 2 ) and can be significantly less than this field. For example for = 0.01, λ = 6m (f = 50MHz) and a = 10cm, we have I 0 ≃ 28.

Dans cette variante, le second intervalle I2 joue donc bien un rôle négligeable devant celui joué par I1, parce que le champ sur l'axe y est beaucoup plus faible que dans le premier. Ce rôle déjà effacé joué par l'intervalle 12 peut encore être réduit dans une troisième variante, si cet intervalle est allongé, comme représenté sur la figure 6, jusqu'à présenter une longueur 12 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.In this variant, the second interval I 2 therefore plays a negligible role compared to that played by I 1 , because the field on the y axis is much weaker than in the first. This already erased role played by the interval 1 2 can be further reduced in a third variant, if this interval is lengthened, as shown in FIG. 6, until it has a long length 1 2 in front of vT. Then, as in the variant illustrated in FIGS. 3 and 4, the field acts in directions which vary during the crossing of the ions, which reduces its net action.

Il va de soi que les structures qui viennent d'être décrites peuvent être de révolution ou présenter des formes autres, parallélépipédiques par exemple.It goes without saying that the structures which have just been described may be of revolution or have other shapes, for example parallelepipedic.

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 a/4 comme sur la figure 4, mais aussi à support en hélice ou en spirale, cette dernière variété étant illustrée sur la figure 7.It also goes without saying that a wide variety can be adopted for the resonant cavity itself. of shapes. It can be of the a / 4 line type as in FIG. 4, but also with a helical or spiral support, the latter variety being illustrated in FIG. 7.

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.The structure shown in this figure comprises a cavity 40, inlet 42 and outlet 44 conduits, a sliding tube 46, a spiral conductor 48 forming self-inductance; the spaces between the tube 46 and the conduits 42 and 44 constitute capacitive zones. This arrangement makes it possible to significantly reduce the size of the structure.

Dans tous les cas, la cavité peut être accordable par variations de certaines dimensions.In all cases, the cavity can be tunable by variations of certain dimensions.

Claims (4)

1. Groupeur-dégroupeur de faisceau d'ions, du genre de ceux 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 faisceau, 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, 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, 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 électrique 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. 1 . Ion beam grouper-ungrouper, of the type which includes a resonant structure supplied by a high-frequency or hyper-frequency generator, this structure comprising a cylindrical wall closed by two lateral faces crossed respectively by an inlet duct and a beam outlet duct, and comprising a sliding tube disposed between said ducts and defining with the inlet duct a first interval and with the outlet duct a second interval, the ion beam being introduced into this structure by the inlet duct, first undergoing in the first interval a first action from the electric field prevailing there, then traversing the sliding tube and undergoing, in the second interval, a second action from the electric field which reigns there and leaving the structure by the outlet pipe, characterized in that the two intervals defined by the sliding tube and the inlet and outlet pipes are strongly dissymmetrical, one of the two intervals providing the ion beam with an electric field much lower than that offered by the other interval, the action exerted in said interval by the electric field on the ions then being negligible before that which is exercised in the other interval. 2. Groupeur-dégroupeur selon la revendication 1, 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.2. Grouper-unbundler according to claim 1, characterized in that the inlet and outlet conduits have different sections, the sliding tube having a flared shape passing from a small section equal to that of one of the conduits to a strong section equal to that of the other conduit. 3. Groupeur-dégroupeur selon l'une.quelconque des revendications 1 et 2, 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.3. Grouper-unbundler according to une.quelconque of claims 1 and 2, characterized in that the interval with weak action has a length such that it is traversed by the beam of ions in a large time in front of the half resonance period of the structure. 4. Groupeur-dégroupeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la structure est du type en ligne quart d'onde, ou à spirale, ou à hélice, ou à self-inductance localisée.4. Grouper-unbundler according to any one Claims 1 to 3, characterized in that the structure is of the quarter-wave line, or spiral, or helix, or localized self-inductance type.
EP79400855A 1978-11-23 1979-11-13 Ion beam bundling device with two acceleration intervals of differing lengths, working in a broad range of speeds Expired EP0012054B1 (en)

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