EP0094889B1 - Accélérateur linéaire de particules chargées comportant des tubes de glissement - Google Patents

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EP0094889B1
EP0094889B1 EP83400978A EP83400978A EP0094889B1 EP 0094889 B1 EP0094889 B1 EP 0094889B1 EP 83400978 A EP83400978 A EP 83400978A EP 83400978 A EP83400978 A EP 83400978A EP 0094889 B1 EP0094889 B1 EP 0094889B1
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EP
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tubes
sliding tubes
sliding
length
linear accelerator
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Inventor
Jacques Pottier
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H9/00—Linear accelerators
    • H05H9/04—Standing-wave linear accelerators

Definitions

  • the present invention relates to a linear accelerator of charged particles. in particular of ions, comprising sliding tubes.
  • This accelerator allowing in particular to accelerate two types of ions of different mass. can be used in the production of radioelements for medical use. in achieving ionic probes in the isotopic and dating in reaiisation d - high energy ion implanters.
  • FIG. 1 there is shown for example the block diagram of a linear accelerator standing waves with sliding tubes of the Wideroe type.
  • This accelerator comprises a generally cylindrical cavity 1 in which are arranged, along the axis 2 of the cavity, tubes 4 and 6. called sliding tubes. defining between them intervals 1.
  • These tubes 4 and 6 are connected alternately to the two terminals of a high frequency generator 8.
  • the ions, injected by a source 10. are accelerated in intervals I, by the high frequency electric field which reign.
  • the average value of the electric field is not too low, compared to its peak value.
  • the length of the acceleration intervals 1 a value close to that of the sliding tubes, that is to say close to ⁇ / 4 in the case of the Wideroe type.
  • the outside diameter of the tubes must not be small compared to the length of the acceleration intervals.
  • this diameter has a value close to that of the length of an interval I, therefore greater than half of ⁇ / 2, and close to ⁇ / 4.
  • the object of the present invention is precisely a linear accelerator of charged particles comprising sliding tubes, making it possible to overcome the various drawbacks mentioned above. It makes it possible in particular to reduce the diameter of the sliding tubes and to increase the effective linear shunt impedance of the structure of the ion accelerators: in the case of accelerators of the Wideroe type, it also makes it possible to accelerate two types of ions of different masses.
  • the invention relates to a linear accelerator of charged particles of the kind of those which comprise, inside a conductive envelope. sliding tubes defining between them acceleration intervals of length such that, in two successive intervals.
  • the longitudinal component of the electric field has an identical module, characterized in that it comprises. in each interval, an additional sliding tube disposed substantially in the middle of the interval between two neighboring tubes and electrically connected to said envelope by an impedance.
  • such a linear accelerator is characterized in that. the additional sliding tubes being connected to ground, one in two of the other sliding tubes is connected to a source of instantaneous potential V, the following is connected to a source of instantaneous potential V of the same sign, or to a source of potential snapshot -V 'of opposite sign.
  • all the sliding tubes have a length equal to the length of the gap. separating an additional sliding tube and another sliding tube.
  • the additional sliding tubes have a length less than the length of the gap, separating an additional sliding tube and another sliding tube, and the other sliding tubes have a length greater than the length of said gap.
  • the accelerator described above can advantageously be used, when the latter has an input stage using the focusing of an ion beam by radio frequency quadrupole.
  • all of the sliding tubes of this stage comprise a central ring on which are mounted, parallel to the axis of the ring, two sets of two half-fingers arranged on one side and on the other side of the ring, the half-fingers of each set being arranged symmetrically with respect to the axis of the ring, the half-fingers of the two sets being offset between them by an angle of ⁇ / 2, for one out of two of the sliding tubes, and located in the extension of one another, for the other sliding tubes.
  • FIGS. 2a and 2b the principle of a linear accelerator of charged particles, in particular of ions, has been shown in accordance with the invention.
  • This accelerator comprises, as in the accelerators of the prior art, a cavity 11 of generally cylindrical shape in which are arranged, alternately along the axis 12 of the cavity, sliding tubes 14 and 16 defining between them acceleration intervals.
  • the tubes 14 are connected to a first alternating high frequency source 18, delivering a first potential V, and the tubes 16 to a second alternating high frequency source 19, delivering a second potential V 2 .
  • the ions to be accelerated are injected into the accelerator by means of an injector 20.
  • the linear accelerator further comprises additional sliding tubes 22, arranged in the middle of the intervals, separating the tubes 14 and the tubes 16.
  • additional tubes 22 are brought to a very different potential V 3 potentials V, and V 2 .
  • the potential V may have a value V and the potential V 2 a value close to ⁇ V, the potential V 3 may be that of the mass, as shown in FIGS. 2a and 2b.
  • the sliding tubes 14 are brought to alternating potentials close to V and the sliding tubes 16 either. Has alternative potentials close to V or to alternative potentials close to -V. the additional sliding tubes 22 then being brought to ground.
  • the first mode of operation called slow mode and which corresponds to a conventional type of operation, will accelerate a first type of ions and the second mode. called fast mode. will accelerate a second type of lighter ions than the first.
  • all the sliding tubes have, as shown in FIG. 2a, a length I equal to the length g of an interval l ′, separating the sliding tubes 14 or 16 of the additional tubes 22.
  • the additional sliding tubes 22 have a length l m less than the length g of an interval l ′, separating a sliding tube 14 or 16 from an additional sliding tube 22, and the sliding tubes 14 and 16 a length l n greater than the length g of an interval l '.
  • FIGs 3a and 3b show a practical embodiment of a linear accelerator according to the invention.
  • This accelerator comprises a cavity 24, operating in the transverse mode, located inside a conductive cylindrical envelope 26.
  • this cavity 24 are alternately housed sliding tubes 28 and 30 supported, by means of tongues such as 31. respectively by two plates 32 and 34 (FIG. 3a).
  • These plates 32 and 34. arranged radially. are diametrically opposite and electrically integral with the casing 26.
  • the assembly constitutes a resonant cavity in which the sliding tubes 28 are brought approximately to the same instantaneous alternating potential V and the tubes 30 approximately to the same potential either V. or - V.
  • tubes 36 are carried by a plate 38 (FIG. 3b) arranged in a plane perpendicular to that containing the plates 32 and 34, and electrically connected to the casing 26 This plate 38 is brought to ground potential.
  • FIG 4 there is shown the electrical diagram corresponding to the embodiment described in Figures 3a and 3b.
  • the inductors F correspond to the inductance due to the fluxes of the magnetic field in each of the quadrants of the cavity 26, these quadrants being delimited by the plates 32. 34 and 38.
  • the capacitors C represent the capacitances distributed on the one hand, between the plate 32 and the mass and. on the other hand, between the plate 34 and the mass.
  • the capacitor C ' represents the capacity distributed between the plates 32 and 34.
  • the electrical diagram shown in Figure 4 can be considered to be formed of two circuits a and b. tuned to the same frequency and coupled by the capacitor C '.
  • the two operating modes of the linear accelerator correspond one (the slow mode) to the resonance of the inductor L in parallel with the capacitance C'2. the potentials V having the same sign. and the other (the fast mode) at the resonance of the inductance L in parallel with the capacitance C '- C'2, the potentials V with respect to the mass being opposite.
  • the presence of the capacitor C ' makes it possible to select the operating mode that is desired. because the resonance frequency F R of the first mode is lower than the resonance frequency F of the second mode. Power is supplied by a single HF generator. tunable on frequencies F R and F L.
  • the ratio of these two resonant frequencies F L / F R being equal to it is possible, to a certain extent, to modify this ratio by varying the value of C ′, that is to say by varying, for example, the dimension of the plates which support the sliding tubes.
  • This makes it possible to optimize the linear accelerator of the invention for two families of ions whose mass charge ratios are less than 4. For example, with such an accelerator one can accelerate protons and deuterons, which can be particularly interesting in the context of medical applications.
  • the good behavior of the effective linear shunt impedance for high values of ⁇ is due to the fact that the linear accelerator, according to the invention, comprises twice as many sliding tubes and intervals two times shorter than conventional linear accelerators.
  • the structure described above can advantageously be used in a linear accelerator comprising an input stage using the focusing of an ion beam by radio frequency quadrupole.
  • the input stage must be able to operate on the two corresponding resonant frequencies (F R and FJ and that, on each of these frequencies, this stage provides an ion beam having different coefficients B for each of these two frequencies, corresponding to the values accepted by the following stage.
  • FIG. 5 shows two sliding tubes 40a and 40b with radio frequency quadrupoles.
  • these sliding tubes 40a and 40b connected to the accelerator structure using the rods 41, each have a central ring 42 on which are mounted two sets 44 and 46 of two half-fingers 48 and 50 respectively.
  • These games being arranged parallel to the axis 52 of the central ring 42, are located on either side of the central ring 42.
  • the half-fingers 48 of the game 44 and the half-fingers 50 of the clearance 46 are arranged symmetrically with respect to the axis of the ring, in other words diametrically opposite.
  • two consecutive sliding tubes such as 40a and 40b, are arranged relative to each other so that the arrangement of the half-fingers of one of the two tubes, for example 40b, is deduced from that of the half-fingers of the other tube. for example 40a, by a rotation of ⁇ / 2 around the axis 52 of the ring.
  • the half-fingers of the two sets that is to say the half-fingers 48 and 50 corresponding respectively to the games 44 and 46, are located in the extension of one another, (FIG. 5).
  • Such an arrangement of the half-fingers can be used when the accelerator is operating in slow mode.
  • the offset half-fingers are those of the additional sliding tubes 22.
  • the half-fingers 48, 50 of the two sets 44 and 46 are arranged. as in the prior art, in the extension of one another, here the sliding tubes 14 and 16.
  • the elements constituting the sliding tubes which remain unchanged compared to those of the prior art bear the same references than those in Figure 5.
  • the invention has been described in its application to the acceleration of ions: it is however not limited to this application and, in particular, it can be used to accelerate electrons, in which case the only adjustments to be made are modifications the dimensioning of the various components.
  • the technique proposed by the invention makes it possible to very significantly increase the shunt impedance of standing wave and slip tube electron accelerators, which makes it possible to consider more favorably the production and use of very rustic machines. , operating in VHF, for example for industrial sterilization.
  • the invention can be implemented in other structures than the Wideroe type structure.
  • the invention has an advantage with regard to accelerators with reentrant cavities coupled (by holes or by loops): the addition of the additional sliding tube makes it possible to reduce the diameter of the sliding tubes.
  • an Alvarez type accelerator can be considered as a series of reentrant cavities stacked one after the other in which the currents on the two faces of adjacent walls are equal and opposite, which makes it possible to remove said walls.
  • the additional sliding tubes are not necessarily connected to ground. However, for practical reasons, they can only be connected to the envelope by a selfic impedance which can be either very low in which case the additional tube is practically at the potential of the envelope, or high, in which case the additional tube will be brought to a potential intermediate between those of the ends of the adjacent sliding tubes. These impedances are practically constituted by the conductive supports of the additional sliding tubes.
  • the number of intermediate sliding tubes is not limited to one, but we can have any number in principle to improve the impedance-shunt, such as an odd number in the case where we want to reserve the possibility of operating in two modes, slow and fast, as we will show below.
  • a cell of length depending on whether the direction of the longitudinal component of the field considered at a given time s reverses or not from one cell to the next, comprises a single acceleration interval located between two half-tubes 4.6 of sliding as shown in Figure 7 in (at).
  • an intermediate sliding tube 22 divides the interval d - accelerated tion in two half-cells as shown in Figure 7 in (b). which makes it possible to reduce the dimensions of the sliding tubes, therefore their capacities, and consequently to increase the shunt impedance.
  • the number of elements into which it is possible to divide the acceleration interval is obviously not limited to two.
  • the conductive supports which connect them to the walls must however be arranged so as to distribute the field adequately between the three acceleration intervals thus defined.

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Description

  • La présente invention a pour objet un accélérateur linéaire de particules chargées. notamment d'ions, comportant des tubes de glissement. Cet accélérateur, permettant notamment daccélérer deux types d'ions de masse différente. peut être utilisé dans la production de radioéléments à usage médical. dans la réalisation de sondes ioniques, dans la datation isotopique et dans la reaiisation d-implanteurs ioniques à haute énergie.
  • Sur la figure 1. on a représenté par exemple le schéma de principe d'un accélérateur linéaire à ondes stationnaires à tubes de glissement du type Wideroe. Cet accélérateur comprend une cavité généralement de forme cylindrique 1 dans laquelle sont disposés, le long de l'axe 2 de la cavité, des tubes 4 et 6. appelés tubes de glissement. définissant entre eux des intervalles 1. Ces tubes 4 et 6 sont connectés alternativement aux deux bornes d'un générateur haute fréquence 8. Les ions, injectés par une source 10. sont accélérés dans les intervalles I, par le champ électrique haute fréquence qui y règne.
  • On sait que les structures accélératrices ou accélérateurs linéaires à tubes de glissement ne se prêtent bien qu'à l'accélération d'ions dont le rapport q/A de la charge q à la masse A s'éloigne très peu ce la valeur optimale pour laquelle ils ont été conçus.
  • En effet dans de tels dispositifs comportant un certain nombre de tubes de glissement. la loi de vitesse des particules est imposée. Le champ électrique nécessaire pour accélérer les ions est donc inversement proportionnel au rapport qiA. Un dispositif étudié pour accélérer des particules de rapport (q/A)o, avec le champ électrique maximum, sera incapable d'accélérer des particules telles que q/A soit inférieur à (q/A)o, et des particules pour lesquelles q/A est supérieur à (q/A)o ne pourront pas être accélérées à une énergie par nucléon sensiblement supérieure à celle obtenue avec les particules de rapport (q/A)o.
  • Les différentes méthodes proposées pour pallier cette difficulté telles que le réglage de la fréquence du champ électrique, la modification de la position des tubes de glissement, etc.. présentent l'inconvénient de compliquer de façon assez considérable la réalisation technologique des structures accélératrices et de la rendre, par conséquent, moins fiable et plus coûteuse.
  • Dans les structures accélératrices à ondes stationnaires. décrites ci-dessus, on sait aussi que la période spatiale L de la structure (longueur d'un tube plus longueur d'un intervalle) est proportionnelle à la longueur d'onde dans le vide λ, associée au champ électrique, et au rapport, noté β, de la vitesse des ions à celle de la lumière. De façon plus précise, dans les accélérateurs du type Wideroe. tels que schématisés en figure 1, de la longueur spatiale L est régie par l'équation L = β λ/2. De même. le diamètre extérieur des tubes de glissement est proportionnel à la longueur d'onde λ et au rapport β.
  • Afin que la valeur moyenne du champ électrique ne soit pas trop faible, par rapport à sa valeur crète. on est pratiquement conduit à choisir pour la longueur des intervalles d'accélération 1 une valeur voisine de celle des tubes de glissement, c'est-à-dire voisine de βλ/4 dans le cas du type Wideroe.
  • Par ailleurs, afin que le champ électrique soit suffisamment homogène dans les intervalles d'accélération I, le diamètre extérieur des tubes ne doit pas être petit devant la longueur des intervalles d'accélération. En général, ce diamètre présente une valeur voisine de celle de la longueur d'un intervalle I, donc supérieur à la moitié de βλ/2, et voisine de βλ/4.
  • Il en résulte donc que, pour des valeurs élevées de β (supérieures à 0.15 environ), on est conduit à avoir des tubes de glissement dont le diamètre est inutilement grand par rapport à celui nécessaire au passage du faisceau.
  • La charge capacitive représentée par les tubes de glissement devient ainsi très importante. Les courants qui circulent dans les parois des tubes sont alors intenses. entraînant une dissipation d énergie prohibitive. En_conséquence, l'impédance shunt linéique efficace Z de ces structures. définie par l'équation Z = E2/P1, E étant la valeur moyenne du champ électrique et P1 la puissance dissipée par unité de longueur, devient beaucoup trop faible.
  • La présente invention a justement pour objet un accélérateur linéaire de particules chargées comportant des tubes de glissement, permettant de pallier les différents inconvénients, mentionnés ci-dessus. Elle permet notamment de diminuer le diamètre des tubes de glissement et d'augmenter l'impédance shunt linéique efficace de la structure des accélérateurs d'ions : dans le cas des accélérateurs du type Wideroe, elle permet également d'accélérer deux types d'ions de masses différentes.
  • De façon plus précise, l'invention a pour objet un accélérateur linéaire de particules chargées du genre de ceux qui comportent, à l'intérieur d'une enveloppe conductrice. des tubes de glissement définissant entre eux des intervalles d'accélération de longueur telle que, dans deux intervalles successifs. la composante longitudinale du champ électrique présente un module identique, caractérisé en ce qu'il comprend. dans chaque intervalle, un tube de glissement supplémentaire disposé sensiblement au milieu de l'intervalle entre deux tubes voisins et relié électriquement à ladite envelope par une impédance.
  • L'ajout de ces tubes de glissement supplémentaires permet de diminuer le diamètre des tubes de glissement et d'augmenter l'impédance shunt linéique efficace de la structure de l'accélérateur.
  • Dans le cas d'un accélérateur linéaire de particules chargées de type Wideroe. la structure décrite ci-dessus peut être utilisée pour permettre à ce type d'accélérateur de fonctionner à volonté sur deux modes différents. l'un rapide, adapté à un premier type d'ions, l'autre lent. adapté à un second type d'ions plus lourds que les premiers.
  • Selon l'invention, un tel accélérateur linéaire se caractérise en ce que. les tubes de glissement supplémentaires étant reliés à la masse, un sur deux des autres tubes de glissement est reliée à une source de potentiel instantané V, le suivant est relié à une source de potentiel instantané V de même signe, ou à une source de potentiel instantané -V' de signe contraire.
  • Selon un premier mode de réalisation d'un accélérateur linéaire de type Wideroe selon l'invention. tous les tubes de glissement présentent une longueur égale à la longueur de l'intervalle. séparant un tube de glissement supplémentaire et un autre tube de glissement.
  • Selon un deuxième mode de réalisation d'un accélérateur linéaire de type Wideroe selon l'invention, les tubes de glissement supplémentaires présentent une longueur inférieure à la longueur de l'intervalle, séparant un tube de glissement supplémentaire et un autre tube de glissement, et les autres tubes de glissement présentent une longueur supérieur à la longueur dudit intervalle.
  • L'accélérateur décrit ci-dessus peut être avantageusement utilisé, lorsque celui-ci comporte un étage d'entrée utilisant la focalisation d'un faisceau d'ions par quadrupôle à radiofréquence.
  • Selon l'invention, dans un tel étage d'entrée, tous les tubes de glissement de cet étage comportent un anneau central sur lequel sont montés, parallèlement à l'axe de l'anneau, deux jeux de deux demi-doigts disposés de part et d'autre de l'anneau, les demi-doigts de chaque jeu étant disposés symétriquement par rapport à l'axe de l'anneau, les demi-doigts des deux jeux étant décalés entre eux d'un angle de π/2, pour un sur deux des tubes de glissement, et situés dans le prolongement l'un de l'autre, pour les autres tubes de glissement.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui suit, donnée à titre explicatif mais nullement limitatif en référence aux figures annexées, sur lesquelles :
    • la figure 1 déjà décrite, représente un schéma de principe d'un accélérateur linéaire d'ions selon l'art antérieur ;
    • les figures 2a et 2b représentent un schéma de principe d'un accélérateur linéaire d'ions selon l'invention ;
    • les figures 3a et 3b représentent, en coupe longitudinale, une réalisation d'un accélérateur linéaire selon l'invention, la figure 3a est une coupe selon les plaques portant les tubes de glissement portés aux potentiels V et ± V et la figure 3b une coupe selon la plaque portant les tubes de glissement portés au potentiel de la masse ;
    • la figure 4 est un schéma électrique correspondant à l'accélérateur linéaire représenté sur les figures 3a et 3b ;
    • la figure 5 représente des tubes de glissement à quadrupôle à radiofréquence selon l'art antérieur ;
    • la figure 6 représente des tubes de glissement à quadrupôle à radiofréquence selon l'invention ; et
    • la figure 7 représente schématiquement en a, b, c, d, des accélérateurs linéaires dans lesquels (a) représente un accélérateur selon l'état de la technique, comportant un seul intervalle d'accélération entre deux demi-tubes de glissement, (b) représente un accélérateur selon l'invention, comportant un tube de glissement supplémentaire divisant l'intervalle d'accélération en deux demi-cellules, (c) représente un accélérateur conforme à l'invention comportant deux tubes de glissement supplémentaires, (d) représente un accélérateur conforme à l'invention comportant trois tubes de glissement supplémentaires.
  • Sur les figures 2a et 2b, on a représenté le principe d'un accélérateur linéaire de particules chargées, notamment d'ions, conformément à l'invention. Cet accélérateur comprend, comme dans les 'accélérateurs de l'art antérieur, une cavité 11 de forme généralement cylindrique dans laquelle sont disposés, en alternance le long de l'axe 12 de la cavité, des tubes de glissement 14 et 16 définissant entre eux des intervalles d'accélération. Les tubes 14 sont connectés à une première source alternative de haute fréquence 18, délivrant un premier potentiel V, et les tubes 16 à une seconde source alternative de haute fréquence 19, délivrant un deuxième potentiel V2. Les ions à accélérer sont injectés dans l'accélérateur au moyen d'un injecteur 20.
  • 'Selon l'invention, l'accélérateur linéaire comprend, de plus, des tubes de glissement supplémentaires 22, disposés au milieu des intervalles, séparant les tubes 14 et les tubes 16. Ces tubes supplémentaires 22 sont portés à un potentiel V3 très différent des potentiels V, et V2. Par exemple, le potentiel V, peut présenter une valeur V et le potentiel V2 une valeur voisine de ± V, le potentiel V3 pouvant être celui de la masse, comme représenté sur les figurés 2a et 2b.
  • La présence de ces tubes de glissement supplémentaires 22 permet de doubler le nombre d'intervalles d'accélération ainsi que celui des tubes de glissement. Ceci permet de réduire le diamètre extérieur des tubes de glissement d'environ un facteur 2, et donc, de diminuer la charge capacitive de ces tubes.
  • La diminution de cette charge capacitive entraîne une dissipation d'énergie, plus faible que celle dissipée dans les dispositifs de l'art antérieur, conduisant à une augmentation de l'impédance shunt linéique efficace de l'accélérateur linéaire. Des essais ont montré que cette impédance shunt était multipliée par un facteur de l'ordre de 2 ou 3.
  • Dans l'application à un accélérateur linéaire de particules chargées du type Wideroe. on porte les tubes de glissement 14 à des potentiels alternatifs voisins de V et les tubes de glissement 16 soit. à des potentiels alternatifs voisins de V soit à des potentiels alternatifs voisins de -V. les tubes de glissement supplémentaires 22 étant alors portés à la masse.
  • Le fait que les tubes de glissement 16 soient portés soit, à des potentiels alternatifs voisins de V. soit à des potentiels alternatifs voisins de -V, permet de faire fonctionner l'accélérateur linéaire sur ceux modes différents, étant donné que la période spatiale du champ électrique haute fréquence régnant dans les intervalles l', compris entre les tubes de glissement 14 et 16 et les tubes supplémentaires 22. est deux fois plus grande dans le deuxième cas (-V) que dans le premier cas (V), et notamment en ce qui concerne le premier harmonique dudit champ. En conséquence, lorsque la période de ce champ électrique est la même dans les deux cas, une particule synchrone devra aller deux fois plus vite dans le deuxième cas que dans le premier.
  • Le premier mode de fonctionnement, appelé mode lent et qui correspond à un type de fonctionnement classique, permettra d'accélérer un premier type d'ions et le second mode. appelé mode rapide. permettra d'accélérer un deuxième type d'ions plus légers que les premiers.
  • Selon une réalisation particulière de l'accélérateur linéaire de l'invention, tous les tubes de glissement présentent, comme représenté sur la figure 2a, une longueur I égale à la longueur g d'un intervalle l', séparant les tubes de glissement 14 ou 16 des tubes supplémentaires 22. Dans une telle réalisation, la longueur I et la longueur g sont régies par l'équation I = g ßLλ/4 dans laquelle λ est la longueur d'onde dans le vide et ßL le rapport de la vitesse des ions à celles de la lumière. dans le cas d'un fonctionnement en mode ient.
  • En supposant le champ électrique homogène dans les intervalles d'accélération l', des calculs simples montrent que, dans cette réalisation, l'efficacité η du mode rapide par rapport au mode lent est voisine de 0,76, autrement dit, l'énergie acquise par une particule dans un intervalle d'accélération l', pour une même valeur de potentiel V, est 0,76 fois plus faible en mode rapide qu'en mode lent.
  • Afin d'améliorer le fonctionnement de l'accélérateur linéaire en mode rapide, on peut. selon l'invention, utiliser des tubes de glissement inégaux tout en gardant des intervalles d'accélération l' de longueur g identique, c'est-à-dire tel que g = βLλ/4. Ceci est représenté sur la figure 2b. En particulier, les tubes de glissement supplémentaires 22 présentent une longueur lm inférieure à la longueur g d'un intervalle l', séparant un tube de glissement 14 ou 16 d'un tube de glissement supplémentaire 22, et les tubes de glissement 14 et 16 une longueur ln supérieure à la longueur g d'un intervalle l'.
  • Par exemple, lorsque la longueur lm est prise égale à 1/2 g et la longueur ln égale à 3/2 g, on obtient une efficacité η du mode rapide par rapport au mode lent de 0.97, l'efficacité du mode rapide étant accrue d'un facteur égal à 1.18, par rapport au cas où 1 est égal à g, tandis que l'efficacité du mode lent est dégradée d'un facteur égal à 0.92. De même, lorsque la longueur lm est prise égale à 34 g et la longueur ln égale à 5/4 g, on obtient une efficacité η du mode rapide par rapport au mode lent de 0.85, efficacité du mode rapide étant accrue de 9 %, par rapport au cas où l est égal à g. tandis que l'efficacité du mode lent n'est dégradée que de 2 %.
  • Si on suppose les fréquences de fonctionnement et les impédances shunt linéiques efficaces pratiquement identiques sur les deux modes, il est facile de voir qu'avec une puissance haute fréquence donnée, si l'accélérateur peut accélérer sur le mode lent des ions dits lourds tels que le rapport q.A soit supérieur au rapport (q/A)L à une énergie WL par nucléon, cet accélérateur pourra accélérer sur le mode rapide, à l'énergie WR égale à 4WL par nucléon, des ions dits légers tels que le rapport (q/A) soit supérieur au rapport (q/A)R' ce dernier rapport étant défini par la relation (q/A)R = 4/η ; on rappelle que q représente la charge de l'ion et A sa masse.
  • Sur les figures 3a et 3b, on a représenté une réalisation pratique d'un accélérateur linéaire selon l'invention. Cet accélérateur comprend une cavité 24, fonctionnant sur le mode transversal, située à l'intérieur d'une enveloppe cylindrique 26 conductrice. Dans cette cavité 24, sont logés alternativement des tubes de glissement 28 et 30 supportés, par l'intermédiaire de languettes telles que 31. respectivement par deux plaques 32 et 34 (figure 3a). Ces plaques 32 et 34. disposées radialement. sont diamétralement opposées et électriquement solidaires de l'enveloppe 26. L'ensemble constitue une cavité résonnante dans laquelle les tubes de glissement 28 sont portés approximativement à un même potentiel alternatif instantané V et les tubes 30 approximativement à un même potentiel soit V. soit ― V.
  • Entre les tubes de glissement 28 et 30 sont intercalés des tubes supplémentaires 36. Ces tubes 36 sont portés par une plaque 38 (figure 3b) disposés dans un plan perpendiculaire à celui contenant les plaques 32 et 34, et reliés électriquement à l'enveloppe 26. Cette plaque 38 est portée au potentiel de la masse.
  • Sur la figure 4, on a représenté le schéma électrique correspondant à la réalisation décrite sur les figures 3a et 3b. Les selfs F correspondent à l'inductance due aux flux du champ magnétique dans chacun des quadrants de la cavité 26, ces quadrants étant délimités par les plaques 32. 34 et 38. Les condensateurs C représentent les capacités réparties d'une part, entre la plaque 32 et la masse et. d'autre part, entre la plaque 34 et la masse. Le condensateur C' représente la capacité répartie entre les plaques 32 et 34.
  • Le schéma électrique représenté sur la figure 4 peut être considéré comme formé de deux circuits a et b. accordés sur la même fréquence et couplés par le condensateur C'.
  • Les deux modes de fonctionnement de l'accélérateur linéaire correspondent l'un (le mode lent) à la résonance de l'inductance L en parallèle avec la capacité C'2. les potentiels V étant de même signe. et l'autre (le mode rapide) à la résonance de l'inductance L en parallèle avec la capacité C' - C'2, les potentiels V par rapport à la masse étant opposés.
  • La présence du condensateur C' permet de sélectionner le mode de fonctionnement que l'on désire. car la fréquence de résonance FR du premier mode est plus faible que la fréquence de résonance F du second mode. La puissance est fournie par un générateur HF unique. accordable sur les fréquences FR et FL.
  • Le rapport de ces deux fréquences de résonance FL/FR étant égal à
    Figure imgb0001
    on peut, dans une certaine mesure, modifier ce rapport en jouant sur la valeur de C', c'est-à-dire en jouant par exemple sur la dimension des plaques qui supportent les tubes de glissement. Ceci permet d'optimiser l'accélérateur linéaire de l'invention pour deux familles d'ions dont les rapports des charges massiques sont inférieurs à 4. Par exemple, avec un tel accélérateur on peut accélérer des protons et des deutons, ce qui peut être particulièrement intéressant dans le cadre des applications médicales.
  • Des mesures électriques, effectuées sur l'accélérateur linéaire décrit ci-dessus et sur un accélérateur linéaire de type classique de mêmes dimensions extérieures ont montré que, pour une cavité fonctionnant sur deux modes selon l'invention, l'impédance shunt linéique efficace de cette cavité. fonctionnant sur le mode lent. est apparue légèrement supérieure à celle d'une cavité fonctionnant sur un seul mode, pour des fréquences de fonctionnement et des coefficients βL identiques (βL étant voisin de 0.12). Sur le mode rapide, l'impédance shunt linéique efficace, obtenue avec la cavité à deux modes, est environ deux fois supérieure à celle obtenue avec la cavité à un seul mode pour le même coefficient βR (RR était voisin de 0,21).
  • Le bon comportement de l'impédance shunt linéique efficace pour des valeurs de β élevées (R supérieur à 0,15) est dû au fait que l'accélérateur linéaire, selon l'invention, comporte deux fois plus de tubes de glissement et des intervalles d'accélération deux fois plus courts que les accélérateurs linéaires classiques.
  • La réalisation pratique décrite ci-dessus correspond à un accélérateur linéaire dont la cavité fonctionne en mode transversal. Bien entendu, tout autre mode de réalisation pratique peut être envisagé.
  • Selon l'invention, la structure décrite précédemment peut être avantageusement utilisée dans un accélérateur linéaire comportant un étage d'entrée utilisant la focalisation d'un faisceau d'ions par quadrupôle à radiofréquence.
  • On sait que pour des valeurs de β faibles (inférieures à 0,05) la focalisation est difficile à réaliser par les moyens habituels. Or, si les étages à haute énergie utilisent des cavités fonctionnant sur deux modes, conformément à l'invention, il faut que l'étage d'entrée puisse fonctionner sur les deux fréquences de résonance correspondantes (FR et FJ et que, sur chacune de ces fréquences, cet étage fournisse un faisceau d'ions ayant des coefficients B différents pour chacune de ces deux fréquences, correspondant aux valeurs acceptées par l'étage suivant.
  • Bien qu'il soit possible d'obtenir ce résultat par exemple en utilisant deux quadrupôles à radiofréquence différents, fonctionnant respectivement aux fréquences FL et FR, il est néanmoins préférable, pour des raisons de simplicité, d'économie et d'homogénéité de l'accélérateur, de réaliser cet étage d'entrée sous la forme d'une structure à deux modes.
  • On a représenté sur la figure 5 deux tubes de glissement 40a et 40b à quadrupôles à radiofréquence. Selon l'art antérieur, ces tubes de glissement 40a et 40b, reliés à la structure de l'accélérateur à l'aide des tiges 41, comportent chacun un anneau central 42 sur lequel sont montés deux jeux 44 et 46 de deux demi-doigts respectivement 48 et 50. Ces jeux, étant disposés parallèlement à l'axe 52 de l'anneau central 42, sont situés de part et d'autre de l'anneau central 42. De plus, les demi-doigts 48 du jeu 44 et les demi-doigts 50 du jeu 46 sont disposés symétriquement par rapport à l'axe de l'anneau, autrement dit diamétralement opposés.
  • Par ailleurs, dans un accélérateur linéaire utilisant de tels tubes de glissement, deux tubes de glissement consécutifs, tels que 40a et 40b, sont disposés l'un par rapport à l'autre de façon que la disposition des demi-doigts de l'un des deux tubes, par exemple 40b, se déduise de celle des demi-doigts de l'autre tube. par exemple 40a, par une rotation de π/2 autour de l'axe 52 de l'anneau.
  • Dans les accélérateurs linéaires classiques; comportant des tubes de glissement à quadrupôle à radiofréquence. les demi-doigts des deux jeux, c'est-à-dire les demi-doigts 48 et 50 correspondant respectivement aux jeux 44 et 46, sont situés dans le prolongement l'un de l'autre, (figure 5).
  • Une telle disposition des demi-doigts peut être utilisée lorsque l'accélérateur fonctionne en mode lent.
  • En ce qui concerne le fonctionnement en mode rapide il n'en est pas de même. En particulier, il n'est pas possible d'obtenir un effet de gradients alternés en ce qui concerne le champ électrique.
  • Pour remédier à cet inconvénient. on utilise, comme représenté sur la figure 6 et conformément à l'invention. pour les deux jeux des demi-doigts décalés entre eux d'un angle de π/2, en particulier. les demi-doigts 54 et 60 correspondant respectivement aux deux jeux 56 et 58 forment entre eux un angle de π/2.
  • Selon l'invention, ce décalage d'un angle de π/2 est réalisé pour un sur deux des tubes de glissement. Il peut être réalisé soit, sur les tubes de glissement 14 et 16 portés respectivement au potentiel V et au potentiel = V. soit sur les tubes de glissement supplémentaires 22 portés au potentiel ae la masse.
  • Sur la figure 6, les demi-doigts décalés sont ceux des tubes de glissement supplémentaires 22. Pour les autres tubes de glissement, les demi-doigts 48, 50 des deux jeux 44 et 46 sont disposés. comme dans l'art antérieur, dans le prolongement L'un de l'autre, ici les tubes de glissement 14 et 16. Les éléments constituant les tubes de glissement qui restent inchangés par rapport à ceux de l'art antérieur portent les mêmes références que ceux de la figure 5.
  • L'invention a été décrite dans son application à l'accélération des ions : elle n'est toutefois pas limitée à cette application et, en particulier, elle peut être utilisée pour accélérer des électrons, auquel cas les seuls aménagements à apporter sont des modifications du dimensionnement des différents composants.
  • On sait que les électrons deviénnent relativistes à des énergies relativement faibles. L'impédance shunt des accélérateurs à ondes stationnaires à tubes de glissement classiques devient alors très faible.
  • C'est pourquoi on utilise habituellement pour accélérer les électrons des accélérateurs a ondes progressives fonctionnant en hyperfréquences, quoique les techniques correspondantes soient relativement coûteuses et d'une mise en œuvre assez délicate.
  • La technique proposée par l'invention permet d'augmenter de façon très sensible l'impédance shunt des accélérateurs d'électrons à ondes stationnaires et à tubes de glissement, ce qui permet de considérer plus favorablement la réalisation et l'emploi de machines très rustiques, fonctionnant en ondes métriques, en vue par exemple de la stérilisation industrielle.
  • Par ailleurs, l'invention peut être mise en œuvre dans d'autres structures que la structure du type Wideroe.
  • Par exemple, l'invention présente- un intérêt en ce qui concerne les accélérateurs à cavités réentrantes couplées (par trous ou par boucles) : l'adjonction du tube de glissement supplémentaire permet de réduire le diamètre des tubes de glissement.
  • L'avantage est probablement moins grand que pour un accélérateur Wideroe ou un accélérateur à cavité T.E. tel que celui décrit, mais cette solution peut être intéressante pour de fortes valeurs de β, en particulier pour les électrons.
  • Enfin, un accélérateur de type Alvarez peut être considéré comme une série de cavités réentrantes empilées à la suite les unes des autres dans lesquelles les courants sur les deux faces de parois adjacentes sont égaux et opposés, ce qui permet de supprimer lesdites parois.
  • Il est bien connu que l'impédance shunt de l'Alvarez se dégrade très vite à partir de valeurs de β relativement faibles (0,1 à 0,15), parce que les tubes deviennent alors à la fois très gros et très longs : le courant au milieu de chaque tube devient alors très important.
  • L'adjonction de tubes supplémentaires permet certainement d'améliorer très sensiblement l'impédance shunt.
  • Enfin, en ce qui concerne les tubes de glissement supplémentaires ils ne sont pas obligatoirement reliés à la masse. Toutefois, pour des raisons pratiques, on ne peut que les relier à l'enveloppe par une impédance selfique qui peut être soit très faible auquel cas le tube supplémentaire est pratiquement au potentiel de l'enveloppe, soit élevée, auquel cas le tube supplémentaire sera porté à un potentiel intermédiaire entre ceux des extrémités des tubes de glissement adjacents. Ces impédances sont pratiquement constituées par les supports conducteurs des tubes de glissement supplémentaires.
  • Le cas d'un accélérateur fonctionnant sur le mode
    Figure imgb0002
    et plus précisément celui de l'accélérateur du type Wideroe a été donné explicitement à titre indicatif.
  • Le nombre de tubes de glissement intermédiaires n'est pas limité à un, mais on peut en disposer un nombre en principe quelconque en vue d'améliorer l'impédance-shunt, tel qu'un nombre impair dans le cas où on veut se réserver la possibilité de fonctionner sur deux modes, lent et rapide, comme on va le montrer ci-dessous.
  • Dans un accélérateur linéaire à ondes stationnaires à tubes de glissement. dans l'état présent de l'art. une cellule de longueur
    Figure imgb0003
    selon que la direction de la composante longitudinale du champ considérée à un instant donné s inverse ou non d'une cellule à la suivante, comporte un seul intervalle d'accélération situé entre deux demi-tubes 4.6 de glissement comme le montre la figure 7 en (a).
  • Selon l'invention. l'adjonction d'un tube de glissement intermédiaire 22 divise l'intervalle d-accélération en deux demi-cellules comme le montre la figure 7 en (b). ce qui permet de réduire les dimensions des tubes de glissement, donc leurs capacités, et consécutivement d'augmenter l'impédance-shunt.
  • Le nombre d'éléments en lesquels il est possible de diviser l'intervalle d'accélération n'est évidemment pas limité à deux. On peut par exemple introduire deux tubes de glissement intermédiaires 22 comme le montre la figure 7 en (c). Les supports conducteurs qui les relient aux parois devront toutefois être disposés de façon à répartir le champ de façon adéquate entre les trois intervalles d'accélération ainsi définis.
  • Si on veut conserver la possibilité offerte par la division d'une cellule en deux demi-cellules, permettant de fonctionner sur deux modes, s'il est possible d'avoir un régime de fonctionnement tel que les valeurs instantanées de la composante longitudinale du champ soient opposées dans les deux demi-cellules, le nombre de tubes de glissement intermédiaires devra être impair comme le montre la figure 7 en (d) où il y a trois tubes intermédiaires 22.

Claims (5)

1. Accélérateur linéaire de particules chargées comportant, à l'intérieur d'une enveloppe conductrice (26), des tubes de glissement (14, 16) définissant entre eux des intervalles d'accélération (I) de longueur telle que, dans deux intervalles successifs, la composante longitudinale du champ électrique présente un module identique, caractérisé en ce qu'il comprend. dans chaque intervalle, au moins un tube de glissement supplémentaire (22) disposé sensiblement dans l'intervalle entre deux tubes voisins et relié électriquement à ladite enveloppe par une impédance, l'ajout de ces tubes de glissement supplémentaires (22) permettant de diminuer le diamètre des tubes de glissement et de multiplier l'impédance shunt linéique efficace de la structure de l'accélérateur.
2. Accélérateur linéaire selon la revendication 1, du type accélérateur linéaire de Wideroe. caractérisé en ce que, les tubes de glissement supplémentaires (22) étant reliés à la masse. un sur deux des autres tubes de glissement (14) est relié à une source de potentiel instantané V, le suivant (16) est relié à une source de potentiel instantané V', de même signe ou à une source de potentiel instantané -V de signe contraire, de façon à permettre deux modes de fonctionnement, un mode de fonctionnement rapide, adapté à un premier type d'ions, et un mode de fonctionnement lent, adapté à un second type d'ions plus lourds que les premiers.
3. Accélérateur linéaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que tous les tubes de glissement (14, 16, 22) présentent une longueur égale à la longueur de l'intervalle (l'), séparant un tube de glissement supplémentaire (22) et un autre tube de glissement (14, 16). ,
4. Accélérateur linéaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que les tubes de glissement supplémentaires (22) présentent une longueur inférieure à la longueur de l'intervalle (1'), séparant un tube de glissement supplémentaire (22) et un autre tube de glissement (14, 16), et en ce que les autres tubes de glissement (14, 16) présentent une longueur supérieure à la longueur dudit intervalle.
5. Accélérateur linéaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comportant un étage d'entrée utilisant la focalisation du faisceau de particules par quadrupole à radiofréquence, caractérisé en ce que tous les tubes de glissement (14, 16, 22) de l'étage d'entrée comportent un anneau central (42) sur lequel sont montés, parallèlement à l'axe (52) de l'anneau, deux jeux (44, 46, 56, 58) de deux demi-doigts (48. 50, 54, 60) disposés de part et d'autre de l'anneau, les demi-doigts de chaque jeu étant disposés symétriquement par rapport à l'axe de l'anneau, les demi-doigts des deux jeux étant décalés entre eux d'un angle de π/2, pour un sur deux des tubes de glissement, et situés dans le prolongement l'un de l'autre, pour les autres tubes de glissement.
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