EP0049198B1 - Electrons accelerator, and millimeter and infra-millimeter waves generator including the same - Google Patents
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- EP0049198B1 EP0049198B1 EP81401482A EP81401482A EP0049198B1 EP 0049198 B1 EP0049198 B1 EP 0049198B1 EP 81401482 A EP81401482 A EP 81401482A EP 81401482 A EP81401482 A EP 81401482A EP 0049198 B1 EP0049198 B1 EP 0049198B1
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J25/00—Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
- H01J25/02—Tubes with electron stream modulated in velocity or density in a modulator zone and thereafter giving up energy in an inducing zone, the zones being associated with one or more resonators
Definitions
- the present invention relates to an electron accelerator which can be used in a millimeter and infra-millimeter wave generator. It also relates to generators comprising such accelerators.
- Infra-millimeter wave generators such as free electron lasers are known, in particular by the article by L.R. Elias et al, published in 1976, in the review "Phisical review letters", volume 36, pages 717 et seq.
- These periodic transverse accelerations are generally obtained by establishing either a helical magnetic field, of pitch P and of axis Oz, or two fields transverse to the axis Oz, of opposite directions and periodically distributed in space with the same period P .
- the present invention relates to an electron accelerator and a millimeter and infra-millimeter wave generator comprising this accelerator which are of different design from what is known in the prior art.
- the generator according to the present invention makes it possible to simultaneously obtain a high frequency and a radiated power, while maintaining dimensions similar to those of standard electronic tubes.
- This generator is high, of the order of 50%, and with a current of about 10 mA in the cathode-anode bias circuit, a radiated power of 7.5 KW is obtained.
- this generator does not require too high direct voltage (around 200 KV between the anode and the cathode) and that the value of this direct voltage can vary over a wide range.
- the present invention relates to an electron accelerator comprising in a vacuum enclosure, an electron gun which produces an electron beam propagating along an Oz axis, said electron accelerator further comprising a coil which surrounds the enclosure and produces a magnetic field oriented along the axis, characterized in that it includes inside the enclosure, a delay line, supplied by a high frequency generator, this delay line allowing the establishment of a field longitudinal high frequency electric oriented along the Oz axis, in that the intensity of the magnetic field increases at the level of the delay line and in that the electron gun produces electrons whose speeds have a first component oriented according to the axis and corresponding to the Newtonian regime, as well as a non-zero transverse component.
- the present invention also relates to a millimeter and infra-millimeter wave generator which comprises an electron accelerator according to the invention.
- the electron beam enters a resonant cavity tuned to the frequency F M corresponding to a slightly higher pulsation MM . ° a
- the coil which surrounds the vacuum enclosure at the level of the resonant cavity creates a uniform magnetic field along the Oz axis.
- the electron accelerator according to the present invention can be used as will be seen in the following description in the millimeter and infra-millimeter wave generators.
- the generator according to the invention has the same applications as the generators of the prior art for millimeter and infra-millimeter waves, namely radar emission, measurement in plasma installations, isotipic separation ...
- FIG. 1 represents the distribution of the magnetic fields and an electronic trajectory in the lasers with free electrons according to the prior art which has been previously discussed.
- the electron beam 1 rises and falls as shown in the figure and therefore undergoes transverse accelerations.
- the electrons radiate a power which is proportional to the square of the transverse accelerations.
- FIG. 4 represents a longitudinal view, along the axis Oz of an embodiment of the generator according to the invention.
- Figure 2 shows the helical path followed by an electron at the exit of the electron gun.
- This electron gun generally comprises a cathode 7 in the form of a ring which produces a hollow cylindrical beam.
- Such electron guns are known in particular from the thesis defended on 12.07.79 at the Polytechnic Institute of Grenoble by J.L. ALIROT and entitled "Injector for high frequency wave generator tube of the gyrotron tube with central injection”.
- the accelerator according to the invention can also operate without using a hollow cylindrical beam but by using a thin off-center beam.
- the high continuous voltage applied between the cathode and the anode is chosen so as to impart the longitudinal speed V z to the electron beam.
- a focusing coil 9 surrounds the vacuum chamber at the level of the electron gun.
- the vacuum enclosure is made of an insulating material, glass or ceramic, because it receives the high DC voltage.
- This coil 9 creates a magnetic field in the opposite direction to that which is created in the rest of the accelerator. This is necessary so that the electron beam has in the rest of the accelerator a spiral path centered on the axis.
- the vacuum enclosure 5 After the electron gun, the vacuum enclosure 5 includes a delay line 10 arranged along the axis Oz and supplied by a high frequency generator 11.
- This delay line must allow the establishment of a longitudinal high frequency electric field, along the axis Oz.
- This delay line is generally formed by an iris guide, as shown in FIG. 4.
- Other types of delay line could be used such as a helical delay line for example.
- the frequency delivered by this generator 11 is independent of that delivered by the generator according to the invention; the frequency delivered by the generator 11 is generally much lower than that delivered by the generator according to the invention, and between 1 GHz and 10 GHz.
- the electron beam 1 is subjected to a magnetic field which increases along the axis Oz and which is produced by a coil 12.
- each electron As soon as it enters the iris guide 10, each electron describes a spiral trajectory which is closer to the Oz axis.
- the increasing magnetic field makes it possible to increase the speed of rotation of the electrons around the Oz axis.
- the longitudinal energy supplied by the H.F. generator 11 is transformed into transverse energy, and the electrons therefore receive significant transverse accelerations.
- the magnetic field created by the coil 12 along the axis Oz is growing slowly. For example, each electron describes around ten orbits in the iris guide 10.
- each electron places in a slowly growing magnetic field with Oz and in an electric amplifier field study E, according to Oz, which is produced by the HF 11 generator, each electron describes a spiral.
- the component along the Oz axis of the force acting on the electrons has the expression: where C is a constant of the movement which is written: with r the radius of the orbit described by the electrons.
- the energy transmitted to the electrons comes from the electric field of amplitude E, according to Oz, which is produced by the generator H.F. 11.
- the speed V z can therefore be constant on the axis Oz.
- the following relation must then be verified between the value of the electric field according to Oz, E, and the variations of the magnetic field according to Oz:
- the vacuum enclosure 5 of the generator 2 has a diameter smaller than that which it presents at the level of the accelerator 3.
- FIG. 5 which is a transverse view along the plane F of FIG. 4 of the generator according to the invention, we see the rectangular section of the mirrors 13.
- the coil 12 creates a uniform magnetic field along the axis Oz.
- the electron beam passes, after passing through the accelerator, between two parallel reflectors 14.
- N is an integer
- ⁇ M the wavelength of the coherent radiation that we will obtain and which will be specified below.
- Each of the reflectors 14 has a semi-reflecting zone 15 which lets through a fraction of the radiation and reflects the rest and a reflecting zone 16.
- the reflective area of one reflector faces the semi-reflective area of the other reflector, and vice versa.
- the radiation is collected through the vacuum enclosure 5 which is made of glass at this location in two opposite directions on each zone which lets the radiation from the two deflectors pass.
- the mirrors 13 make it possible to reduce the radiation in the direction Oz because it is not possible to let it propagate perpendicular to the reflectors because of the presence of the coil 12.
- the second part 4 of the generator in which the millimeter and infra-millimeter orders are taken constitutes a resonant cavity tuned to the frequency F M corresponding to ⁇ M.
- This cavity can be open, that is to say constituted for example by two parallel reflectors as is the case in the embodiment shown in FIG. 4.
- This cavity can also be closed and made up, for example, of a waveguide portion.
- the stimulated synchrotron radiation always occurs at a frequency very close to the resonator frequency and greater than the frequency of the synchrotron harmonic.
- the accelerator according to the invention being linear makes it possible to vary, along the linear acceleration path, parameters, such as for example the thickness of the valves, as a function of z in order to adapt to the mass, to the velocity of particles which vary along the z axis.
Landscapes
- Particle Accelerators (AREA)
- Lasers (AREA)
Description
La présente invention concerne un accélérateur d'électrons qui peut être utilisé dans un générateur d'ondes millimétriqués et infra-millimétriques. Elle concerne également les générateurs comportant de tels accélérateurs.The present invention relates to an electron accelerator which can be used in a millimeter and infra-millimeter wave generator. It also relates to generators comprising such accelerators.
Des générateurs d'ondes infra-millimétriques tels que les lasers à électrons libres sont connus, notamment par l'article de L.R. Elias et al, paru en 1976, dans la revue «Phisical review letters», volume 36, pages 717 et suivantes.Infra-millimeter wave generators such as free electron lasers are known, in particular by the article by L.R. Elias et al, published in 1976, in the review "Phisical review letters", volume 36, pages 717 et seq.
Dans ces lasers à électrons libres, un faisceau d'électrons qui se déplace selon une direction Oz avec une vitesse Vz voisine de celle c de la lumière est périodiquement accéléré dans la direction transversale à Oz.In these free electron lasers, an electron beam which moves in a direction Oz with a speed V z close to that c of light is periodically accelerated in the direction transverse to Oz.
Ces accélérations transversales périodiques sont généralement obtenues en établissant soit un champ magnétique en hélice, de pas P et d'axe Oz, soit deux champs transversaux à l'axe Oz, de sens opposés et répartis périodiquement dans l'espace avec une même période P.These periodic transverse accelerations are generally obtained by establishing either a helical magnetic field, of pitch P and of axis Oz, or two fields transverse to the axis Oz, of opposite directions and periodically distributed in space with the same period P .
Le problème qui se pose avec ces lasers est que deux exigences contradictoires commandent la valeur de la période P des accélérations transversales:
- - d'une part, la fréquence P du rayonnement émis selon l'axe Oz par les électrons, périodiquement accélérés dans une direction transversale à Oz, est inversement proportionnelle à la période P puisqu'elle s'écrit:
- - d'autre part, la puissance rayonnée par les électrons est proportionnelle au carré des accélérations transversales. Pour avoir des accélérations importantes, il faut disposer de champs magnétiques de grande intensité. Pour créer ces champs magnétiques, la période P doit être importante afin qu'il soit matériellement possible de loger les conducteurs qui créent ces champs magnétiques. On a donc intérêt pour augmenter la puissance rayonnée à choisir P aussi élevée que possible.
- - on the one hand, the frequency P of the radiation emitted along the Oz axis by the electrons, periodically accelerated in a direction transverse to Oz, is inversely proportional to the period P since it is written:
- - on the other hand, the power radiated by the electrons is proportional to the square of the transverse accelerations. To have significant accelerations, it is necessary to have magnetic fields of great intensity. To create these magnetic fields, the period P must be long so that it is physically possible to house the conductors which create these magnetic fields. It is therefore advantageous to increase the radiated power to choose P as high as possible.
Ces lasers ne permettent d'obtenir simultanément des fréquences de quelques dizaines de gigaherz et un champ magnétique alterné de quelques teslas d'amplitude qu'à condition d'augmenter considérablement leur longueur, ce qui est un inconvénient. De plus, leur rendement est peu élevé et la puissance rayonnée reste faible.These lasers make it possible to simultaneously obtain frequencies of a few tens of gigaherz and an alternating magnetic field of a few amplitude teslas only on condition of considerably increasing their length, which is a drawback. In addition, their efficiency is low and the radiated power remains low.
La présente invention concerne un accélérateur d'électrons et un générateur d'ondes millimétriques et infra-millimétriques comportant cet accélérateur qui sont de conception différente de ce qui est connu dans l'art antérieur.The present invention relates to an electron accelerator and a millimeter and infra-millimeter wave generator comprising this accelerator which are of different design from what is known in the prior art.
Le générateur selon la présente invention permet d'obtenir simultanément une fréquence et une puissance rayonnée élevées, tout en conservant des dimensions semblables à celles des tubes électroniques standards.The generator according to the present invention makes it possible to simultaneously obtain a high frequency and a radiated power, while maintaining dimensions similar to those of standard electronic tubes.
Ainsi avec un tube de 1 à 2 m selon Oz, on peut atteindre des fréquences de 300 GHz environ avec un faisceau de 2 à 3 MeV.Thus with a tube of 1 to 2 m according to Oz, one can reach frequencies of approximately 300 GHz with a beam of 2 to 3 MeV.
Le rendement de ce générateur est élevé, de l'ordre de 50%, et avec un courant de 10 mA environ dans le circuit de polarisation cathode-anode, on obtient une puissance rayonnée de 7,5 KW.The efficiency of this generator is high, of the order of 50%, and with a current of about 10 mA in the cathode-anode bias circuit, a radiated power of 7.5 KW is obtained.
De plus, un autre avantage de ce générateur est qu'il n'exige pas de tension continue trop élevée (200 KV environ entre l'anode et la cathode) et que la valeur de cette tension continue peut varier dans une grande plage.In addition, another advantage of this generator is that it does not require too high direct voltage (around 200 KV between the anode and the cathode) and that the value of this direct voltage can vary over a wide range.
La présente invention concerne un accélérateur d'électrons comportant dans une enceinte à vide, un canon à électrons qui produit un faisceau d'électrons se propageant suivant un axe Oz, ledit accélérateur d'électrons comportant de plus une bobine laquelle entoure l'enceinte et produit un champ magnétique orienté suivant l'axe, caractérisé en ce qu'il comprend à l'intérieur de l'enceinte, une ligne à retard, alimentée par un générateur haute fréquence, cette ligne à retard permettant l'établissement d'un champ électrique haute fréquence longitudinal orienté selon l'axe Oz, en ce que l'intensité du champ magnétique va en croissant au niveau de la ligne à retard et en ce que le canon à électrons produit des électrons dont les vitesses possèdent une première composante orientée selon l'axe et correspondant au régime newtonien, ainsi qu'une composante transversale non nulle.The present invention relates to an electron accelerator comprising in a vacuum enclosure, an electron gun which produces an electron beam propagating along an Oz axis, said electron accelerator further comprising a coil which surrounds the enclosure and produces a magnetic field oriented along the axis, characterized in that it includes inside the enclosure, a delay line, supplied by a high frequency generator, this delay line allowing the establishment of a field longitudinal high frequency electric oriented along the Oz axis, in that the intensity of the magnetic field increases at the level of the delay line and in that the electron gun produces electrons whose speeds have a first component oriented according to the axis and corresponding to the Newtonian regime, as well as a non-zero transverse component.
La présente invention concerne également un générateur d'ondes millimétriques et infra-millimétriques qui comporte un accélérateur d'électrons selon l'invention.The present invention also relates to a millimeter and infra-millimeter wave generator which comprises an electron accelerator according to the invention.
Dans ce générateur, le faisceau d'électrons pénètre dans une cavité résonnante accordée à la fréquence FM correspondant à une pulsation MM légèrement supérieure
La bobine qui entoure l'enceinte à vide au niveau de la cavité résonnante crée un champ magnétique uniforme selon l'axe Oz.The coil which surrounds the vacuum enclosure at the level of the resonant cavity creates a uniform magnetic field along the Oz axis.
L'accélérateur d'électrons selon la présente invention peut être utilisé comme on va le voir dans la description suivante dans les générateurs d'ondes millimétriques et infra-millimétriques.The electron accelerator according to the present invention can be used as will be seen in the following description in the millimeter and infra-millimeter wave generators.
Il peut aussi être utilisé dans d'autres dispositifs que ces générateurs.It can also be used in devices other than these generators.
En ce qui concerne le générateur selon l'invention, il a les mêmes applications que les générateurs de l'art antérieur pour ondes millimétriques et infra-millimétriques, à savoir l'émission radar, la mesure dans les installations de plasma, la séparation isotipique...As regards the generator according to the invention, it has the same applications as the generators of the prior art for millimeter and infra-millimeter waves, namely radar emission, measurement in plasma installations, isotipic separation ...
D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les figures annexées qui représent:
- La figure 1, la répartition des champs magnétiques et une trajectoire électronique dans les lasers à électrons libres selon l'art antérieur;
- Les figures 2 et 3, la trajectoire suivie par un électron en deux points du générateur selon l'invention;
- Les figures 4 et 5, une vue longitudinale suivant l'axe Oz et une vue transversale selon le plan F de la figure 4 d'un mode de réalisation du générateur selon l'invention.
- Figure 1, the distribution of magnetic fields and an electronic trajectory in free electron lasers according to the prior art;
- Figures 2 and 3, the path followed by an electron at two points of the generator according to the invention;
- Figures 4 and 5, a longitudinal view along the axis Oz and a transverse view along the plane F of Figure 4 of an embodiment of the generator according to the invention.
Sur les différentes figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments, mais, pour des raisons de clarté, les cotes et proportions des divers éléments ne sont pas respectées.In the different figures, the same references designate the same elements, but, for reasons of clarity, the dimensions and proportions of the various elements are not observed.
La figure 1, représente la répartition des champs magnétiques et une trajectoire électronique dans les lasers à électrons libres selon l'art antérieur dont il a été précédemment question.FIG. 1 represents the distribution of the magnetic fields and an electronic trajectory in the lasers with free electrons according to the prior art which has been previously discussed.
On rappelle que dans ces lasers un faisceau d'électrons 1 qui se déplace selon une direction Oz avec une vitesse Vz voisine de celle de la lumière est périodiquement accéléré dans la direction transversale à Oz.It will be recalled that in these lasers an
Pour cela, on peut établir, sur une certaine longueur L, deux champs B1 et 82, transversaux à l'axe Oz et de sens opposés. Ces champs B1 et B2 sont répartis périodiquement sur la longueur L avec une même période P.For this, one can establish, over a certain length L, two fields B 1 and 8 2 , transverse to the axis Oz and of opposite directions. These fields B 1 and B 2 are distributed periodically over the length L with the same period P.
A cause des champs 81 et 82 le faisceau d'electrons 1 monte etdescend comme cela est représenté sur la figure et subit donc des accélérations transversales. Les électrons rayonnent une puissance qui est proportionnelle au carrée des accélérations transversales.Because of the
La figure 4, représente une vue longitudinale, suivant l'axe Oz d'un mode de réalisation du générateur selon l'invention.FIG. 4 represents a longitudinal view, along the axis Oz of an embodiment of the generator according to the invention.
Ce générateur 2 comporte deux parties:
- - une première partie 3 dans laquelle s'effectue l'accélération du faisceau d'électrons 1;
- - une
deuxième partie 4 dans laquelle s'effectue le prélèvement d'énergie sous forme d'ondes millimétriques et infra-millimétriques.
- - A first part 3 in which the acceleration of the
electron beam 1 takes place; - - A
second part 4 in which the energy is taken in the form of millimeter and infra-millimeter waves.
On va d'abord décrire l'accélérateur d'électrons 3.We will first describe the electron accelerator 3.
Cet accélérateur comporte, dans une enceinte à vide 5, un canon à électrons qui produit un faisceau d'électrons avec une vitesse non nulle dans une direction transversale à Oz et avec une vitesse selon l'axe Oz, Vz, sensiblement inférieure à celle de la lumière, Vz = o, 1 . c par exemple.This accelerator comprises, in a
La figure 2, représente la trajectoire hélicoïdale suivie par un électron à la sortie du canon à électrons.Figure 2 shows the helical path followed by an electron at the exit of the electron gun.
Ce canon à électrons comporte généralement une cathode 7 en forme d'anneau qui produit un faisceau cylindrique creux.This electron gun generally comprises a cathode 7 in the form of a ring which produces a hollow cylindrical beam.
De tels canons à électrons sont connus notamment par la thèse soutenue le 12.07.79 à l'Institut Polytechnique de Grenoble par J.L. ALIROT et intitulée «Injecteur pour tube générateur d'onde haute fréquence du tube gyrotron à injection centrale».Such electron guns are known in particular from the thesis defended on 12.07.79 at the Polytechnic Institute of Grenoble by J.L. ALIROT and entitled "Injector for high frequency wave generator tube of the gyrotron tube with central injection".
L'accélérateur selon l'invention peut également fonctionner sans utiliser un faisceau cylindrique creux mais en utilisant un faisceau mince décentré.The accelerator according to the invention can also operate without using a hollow cylindrical beam but by using a thin off-center beam.
Sur la figure 4, on n'a représenté schématiquement que la cathode 7 de ce canon, et l'anode en deux parties, 6 et 8.In FIG. 4, only the cathode 7 of this gun has been shown diagrammatically, and the anode in two parts, 6 and 8.
La haute tension continue, appliquée entre la cathode et l'anode est choisi de façon à imprimer au faisceau d'électrons la vitesse longitudinale Vz.The high continuous voltage applied between the cathode and the anode is chosen so as to impart the longitudinal speed V z to the electron beam.
Une bobine de focalisation 9 entoure l'enceinte à vide au niveau du canon à électrons. A ce niveau, l'enceinte à vide est constituée d'un matériau isolant, verre ou céramique, car elle reçoit la haute tension continue.A focusing
Cette bobine 9 crée un champ magnétique de sens inverse à celui qui est créé dans le reste de l'accélérateur. Cela est nécessaire pour que le faisceau d'électrons ait dans le reste de l'accélérateur une trajectoire en spirale centrée sur l'axe.This
Après le canon à électrons, l'enceinte à vide 5 comporte une ligne à retard 10 disposée selon l'axe Oz et alimentée par un générateur haute fréquence 11.After the electron gun, the
Cette ligne à retard doit permettre l'établissement d'un champ électrique haute fréquence longitudinal, selon l'axe Oz. Cette ligne à retard est généralement constituée par un guide à iris, comme cela est représenté sur la figure 4. D'autres types de ligne à retard pourraient être utilisé tels qu'une ligne à retard en hélice par exemple.This delay line must allow the establishment of a longitudinal high frequency electric field, along the axis Oz. This delay line is generally formed by an iris guide, as shown in FIG. 4. Other types of delay line could be used such as a helical delay line for example.
La fréquence délivrée par ce générateur 11 est indépendante de celle délivrée par le générateur selon l'invention; la fréquence délivrée par le générateur 11 est généralement beaucoup plus basse que celle délivrée par le générateur selon l'invention, et comprise entre 1 GHz et 10 GHz.The frequency delivered by this
Dès qu'il pénètre dans le guide à iris 10, le faisceau d'électrons 1 est soumis à un champ magnétique qui croît selon l'axe Oz et qui est produit par une bobine 12.As soon as it enters the
Dès qu'il pénètre dans le guide à iris 10, chaque électron décrit une trajectoire en spirale qui se rapproche de plus de l'axe Oz.As soon as it enters the
Sur la figure 3, on a représenté en trait fin les lignes de force du champ magnétique croissant selon l'axe; ces lignes de forse se rapprochent de plus en plus de l'axe Oz.In Figure 3, there is shown in thin lines the lines of force of the magnetic field increasing along the axis; these drill lines are getting closer and closer to the Oz axis.
Sur la figure 3, on a aussi représenté en trait fort la trajectoire en spirale d'un électron qui s'enroule approximativement sur un tube de champ magnétique et se rapproche de l'axe Oz.In Figure 3, there is also shown in strong lines the spiral path of an electron which coils approximately on a magnetic field tube and approaches the Oz axis.
Le champ magnétique croissant permet d'augmenter la vitesse de rotation des électrons autour de l'axe Oz. L'énergie longitudinale fournie par le générateur H.F. 11 est transformée en énergie transversale, et les électrons reçoivent donc des accélérations transversales importantes.The increasing magnetic field makes it possible to increase the speed of rotation of the electrons around the Oz axis. The longitudinal energy supplied by the
Les électrons peuvent ainsi atteindre par exemple, une énergie égale à 4 Wo, où Wo = 511 KeV est l'énergie des électrons au repos.The electrons can thus reach for example an energy equal to 4 W o , where W o = 511 KeV is the energy of the electrons at rest.
La croissance du champ magnétique créé par la bobine 12 selon l'axe Oz se fait lentement. A titre d'exemple, chaque électron décrit environ une dizaine d'orbites dans le guide à iris 10.The magnetic field created by the
Lorsqu'un électron se trouve placé dans un champ magnétique d'intensité B, sa vitesse de rotation dans le plan perpendiculaire au champ électrique s'écrit:
Placé dans un champ magnétique croissant lentement avec Oz et dans un champ électrique d'amplitude E, selon Oz, qui est produit par le générateur H.F. 11, chaque électron décrit une spirale. La composante suivant l'axe Oz de la force agissant sur les électrons a pour expression:
L'énergie transmise aux électrons provient du champ électrique d'amplitude E, selon Oz, qui est produit par le générateur H.F. 11.The energy transmitted to the electrons comes from the electric field of amplitude E, according to Oz, which is produced by the generator H.F. 11.
La variation d'énergie en électrons-Volts du faisceau d'électrons de l'entrée à la sortie de l'accélérateur est donnée par l'équation:
On constate d'après l'équation précédente que la variation d'énergie du faisceau de l'entrée à la sortie de l'accélérateur ne dépend pas de la variation de la vitesse Vz des électrons selon l'axe OZ.It can be seen from the above equation that the energy variation of the beam from the input to the output of the accelerator does not depend on the variation of the speed V z of the electrons along the axis OZ.
La vitesse Vz peut donc être constante sur l'axe Oz. La relation suivant doit être alors vérifiée entre la valeur du champ électrique selon Oz, E, et les variations du champ magnétique selon Oz:
Pour obtenir une vitesse Vz constante, il faut agir sur le champ magnétique croissant créé par la bobine 12.To obtain a constant speed V z , it is necessary to act on the increasing magnetic field created by the
Dans ce qui suit, on donne un exemple numérique correspondant au cas où on veut obtenir une énergie finale de 4 Wo.In the following, we give a numerical example corresponding to the case where we want to obtain a final energy of 4 W o .
A partir de l'égalité W = 4 Wo, on obtient per la relation:
On choisit, en fixant les caractéristiques du canon à électrons et en particulier de la tension continue entre l'anode et la cathode, de prendre une vitesse longitudinale constante égale à: Vz = 0,1 . c et une vitesse transversale égale à: 0,9631 . c. On détermine ensuite les grandeurs suivantes:
- - champ magnétique initial: 0,1436T
- - champ magnétique final: 3T
- ― fréquence cyclotronique: (e/2πm0) . B = 84 GHz
- ― fréquence synchrotronique: (e/2πm) . B = 21 GHz
- - rayon d'orbite initial: 10-zm
- ― rayon d'orbite final: 0,219 . 10-2m
- - constante du mouvement C: 1,149 . 10-24 (unités S.I.)
- ― énergie initiale: W1 = 1,314 . W0, où W1 représente l'énergie de l'électron à l'entrée de la ligne à retard
- - accélération totale en énergie: 1372 keV
- - haute tension continue: 160 kV
- ― longueur de l'accélérateur: > 13. 10-2m.
- - initial magnetic field: 0.1436T
- - final magnetic field: 3T
- - cyclotronic frequency: (e / 2πm 0 ). B = 84 GHz
- - synchrotron frequency: (e / 2πm). B = 21 GHz
- - initial orbit radius: 10- z m
- - final orbit radius: 0.219. 10 -2 m
- - constant of movement C: 1,149. 10- 24 (SI units)
- - initial energy: W 1 = 1.314. W 0 , where W 1 represents the energy of the electron at the input of the delay line
- - total energy acceleration: 1372 keV
- - continuous high voltage: 160 kV
- - length of the accelerator:> 13. 10 -2 m.
Après avoir décrit la première partie 3 du générateur 2 selon l'invention dans laquelle s'effectue l'accélération du faisceau d'électrons 1, on va maintenir décrire un mode de réalisation de la deuxième partie 4 de ce générateur dans laquelle s'effectue le prélèvement des ondes millimétriques et infra-millimétriques.After describing the first part 3 of the
Dans cette deuxième partie, l'enceinte à vide 5 du générateur 2 présente un diamètre inférieur à celui qu'elle présente au niveau de l'accélérateur 3.In this second part, the
Ainsi, on peut glisser entre cette enceinte et la bobine 12 deux miroirs inclinés 13, métalliques par exemple, qui reçoivent le rayonnement cohérent émis par les électrons et le réfléchissent selon une direction parallèle à Oz pour qu'il soit utilisé ensuite.Thus, one can slide between this enclosure and the
Sur la figure 5 qui est une vue transversale selon le plan F de la figure 4 du générateur selon l'invention, on voit la section rectangulaire des miroirs 13.In FIG. 5 which is a transverse view along the plane F of FIG. 4 of the generator according to the invention, we see the rectangular section of the
Au niveau de la deuxième partie 4 du générateur, la bobine 12 crée un champ magnétique uniforme selon l'axe Oz.At the
Afin que le rayonnement émis par les électrons accélérés soit rendu cohérent, le faisceau d'électrons passe, après avoir traversé l'accélérateur, entre deux réflecteurs parallèles 14.So that the radiation emitted by the accelerated electrons is made coherent, the electron beam passes, after passing through the accelerator, between two
Ces deux réflecteurs sont séparés par une distance égale à N .
Chacun des réflecteurs 14 comporte une zone 15 semi-réfléchissante qui laisse passer une fraction du rayonnement et réfléchit le reste et une zone 16 réfléchissante. La zone réfléchissante d'un réflecteur fait face à la zone semi-réfléchissante de l'autre réflecteur, et vice-versa.Each of the
De ce fait, on recueille le rayonnement à travers l'enceinte à vide 5 qui est en verre à cet endroit-là dans deux directions opposées sur chaque zone qui laisse passer le rayonnement des deux déflecteurs.Therefore, the radiation is collected through the
Les miroirs 13 permettent de rabattre le rayonnement dans la direction Oz car il n'est pas possible de le laisser se propager perpendiculairement aux réflecteurs à cause de la présence de la bobine 12.The
En fait, la deuxième partie 4 du générateur dans laquelle s'effectue le prélèvement des ordres millimétriques et infra-millimétriques constitue une cavité résonnante accordée à la fréquence FM correspondant à λM.In fact, the
Cette cavité peut être ouverte, c'est à dire constituée par exemple de deux réflecteurs parallèles comme c'est le cas sur le mode de réalisation représenté sur la figure 4.This cavity can be open, that is to say constituted for example by two parallel reflectors as is the case in the embodiment shown in FIG. 4.
Cette cavité peut aussi être fermée et constituée, par exemple, d'une portion de guide d'onde.This cavity can also be closed and made up, for example, of a waveguide portion.
On sait par les travaux de J. SCHWINGER. et notamment par l'article publié à son nom dans «Physi- cal review», du 15.06.49, volume 75, numéro 12, pages 1912 à 1925, qu'un électron d'énergie W qui est placé dans un champ magnétique d'intensité B tourne avec la vitesse angulaire: W
En effet, il est connu que le rayonnement synchrotronique stimulé se produit toujours à une fréquence très voisine de la fréquence de résonateur et supérieure à la fréquence de l'harmonique synchrotronique.Indeed, it is known that the stimulated synchrotron radiation always occurs at a frequency very close to the resonator frequency and greater than the frequency of the synchrotron harmonic.
Dans le cas de l'exemple numérique cité précédemment, la longueur d'onde Àm et la fréquence FM ont sensiblement pour valeur: λM = 222 µu et FM = 1344 GHz.In the case of the digital example cited above, the wavelength λ m and the frequency F M have substantially the value: λ M = 222 μu and F M = 1344 GHz.
L'accélérateur selon l'invention étant linéaire permet de faire varier, le long du parcours linéaire d'accélération, des paramètres, tels que par exemple l'épaisseur des vannes, en fonction de z pour s'adapter à la masse, à la vitesse des particules qui varient suivant l'axe z.The accelerator according to the invention being linear makes it possible to vary, along the linear acceleration path, parameters, such as for example the thickness of the valves, as a function of z in order to adapt to the mass, to the velocity of particles which vary along the z axis.
Le long d'un parcours circulaire, les conditions sont nécessairement périodiques.Along a circular route, the conditions are necessarily periodic.
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