EP0115720B1 - Electron gun for linear accelerator and accelerating structure comprising such a gun - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to an electron gun for a linear accelerator, allowing modulation of the electronic current as soon as this current is formed; it also relates to an accelerating structure provided with such an electron gun.
- Electron cannons of the triode type are used to generate electrons injected into an accelerating structure of a Jinerary accelerator; an electromagnetic wave of frequency appropriate to the accelerating structure, makes it possible to accelerate these electrons and to produce a beam whose characteristics vary according to its application.
- These industrial irradiation machines allow for example the sterilization of various products, and can generally produce electron beams having energies between 1 and 10 MeV.
- pre-grouping cavities located on the path of the electrons; these pre-grouping cavities being commonly arranged between the electron gun and the accelerating structure into which these packets are injected.
- the electronic current supplied by the gun is established continuously, during a given and repetitive operating time; the electrons constituting this current are grouped by these cavities, in packets having a duration and a period determined by the operating characteristics of these pre-grouping cavities.
- Such grouping in packets of electrons can make it possible to improve the efficiency of a linear accelerator, insofar as it avoids consuming the energy conveyed by the electromagnetic wave, for electrons situated outside the domain of acceptance. in the accelerator phase; but the implementation of these pre-grouping cavities is delicate and complex.
- an improvement in the overall efficiency of a machine using an accelerating structure is obtained by means of a modulation of the electronic current, produced from the generation of the latter by the electron gun; this modulation making it possible, for example, to obtain packets of electrons injected into the accelerating structure, without requiring pre-grouping cavities for this purpose.
- Electron guns for linear accelerator are frequently constituted by a thermoemissive cathode and an anode, between which a grid controls the electronic current according to a potential difference established between the grid and the cathode; this potential difference can be continuous to determine an operating time, as it was previously explained, or include within this operating time variations at high frequencies or brief transients. In the latter case, it constitutes a signal, generally produced by a complex injection modulator, transported by a transmission line having appropriate characteristics; but the establishment of this signal between the grid and the cathode, in accordance with the signal produced by the injection modulator, presents difficulties due in particular to stray capacitances.
- a French patent application published under No. 2,389,992 describes a short pulse electron gun for a linear accelerator.
- the structure of this gun is such that it makes it possible to extend the transmission line, driving a control signal, up to a very short distance from the cathode which generates the electrons.
- the problem which then arises is to close the transmission line on its ca impedance. characteristic, in the vicinity of the cathode.
- the present invention relates to an electron gun for a linear accelerator, capable of producing a modulated electronic current; its arrangement avoids the use of a complex injection modulator, and facilitates the establishment of an alternative potential difference between the grid and the cathode. It also relates to an accelerating structure of a linear electron accelerator, provided with a barrel according to the invention, making it possible to improve the overall efficiency of a machine using such an accelerating structure.
- an electron gun for linear accelerator comprising a transmitting cathode, a grid capable of controlling the intensity of the electron beam emitted by the cathode, an anode pierced with a hole centered around an axis along which are emitted electrons and a transmission line conducting the beam intensity control signal, is characterized in that it comprises a resonant cavity closed on the space between the grid and the cathode, and containing a coupling member electromagnetic linked to the transmission line, which organ makes it possible to inject an electromagnetic wave of frequency F into the resonant cavity, in order to bring the latter into resonance and to excite the grid-cathode space so as to produce between the grid and the cathode a difference in alternating potential of frequency F by which the beam current is modulated.
- the electromagnetic wave used to modulate the electronic current generated by such an electron gun can be taken and injected into the resonant cavity of the gun either: from a generator specific to this function; either from a generator intended to supply an electromagnetic wave injected into an accelerating structure, or by taking the latter electromagnetic wave in an accelerating cavity of this structure, and in particular in an accelerating cavity closest to the gun.
- FIG. 1 shows an electron gun 1 according to the invention.
- This gun 1 has an anode 2; in the nonlimiting example described, this is fixed by screws 4 to an element 50 of an accelerating structure 3, partially shown.
- a hole 5 intended for the passage of the electrons is centered on an axis 6 according to which the electrons, emitted by a cathode 8, are attracted by the anode 2.
- the cathode 8 comprises a filament 9 and the electrons attracted by the anode 2 pass through the plane of a grid 10 intended to control the passage of the electrons; the grid 10 is held by a metal support tube 11, centered around the emission axis 6.
- This support tube 11 constitutes an extension of a cavity 13 of the coaxial type, itself centered around the axis of show 6; the support tube 11 is fixed to a first transverse wall 12 of this cavity 13, for example by welding.
- the cavity 13 thus communicates with an additional space 18 delimited by the grid 10, the support tube 11, the internal metal tube 14, with which this cavity 13 constitutes a resonant cavity 13,18 coaxial.
- the resonant cavity 13, 18, arranged along a longitudinal axis coincident with the emission axis 6, is thus limited at one end 7 by the grid 10; the cathode 8 being at a distance d from the grid which constitutes a cathode-grid space 8, 10 on which, in operation, the resonant cavity 13,18 is closed.
- the cathode 8 is secured in a conventional manner to a plate 21, which comprises a first and a second pad P l , P 2 , to which the ends F l , F 2 of the filament 9 are respectively connected; the cathode 8 being for example also connected to the second pad P 2 .
- the plate 21 of circular shape is embedded in the inner metal tube 14 and, it is supported by a central insulating pin 25; the latter is fixed to the internal transverse metal wall 26 of the cavity 13, in a conventional manner, by means (not shown) allowing, thanks to the sealing means 22, to maintain the vacuum.
- a first electrical connection 28 connects the first pad P I , to a sealed crossing 30, and a second electrical connection 29 located axially inside the central pin 25, connects the second pad P 2 to a second sealed crossing 31.
- These bushings watertight constitute connection means allowing the supply of the filament 9 and the electrical access to the cathode 8; in order to allow electrical insulation between the cathode 8 and the grid 10, the internal metal tube 14 comprises an insulating ring 60.
- the electrical supply both at high voltage and at low voltage of the electron gun 1, being carried out so conventional, the circuits intended for this operation as well as possible means for cooling the barrel 1 are not shown.
- a second insulating tube 33 placed in the extension of the first tube 20, making it possible to ensure a vacuum tightness thanks to the sealing means 22: this being achieved in order to avoid establishing a vacuum in the whole of the resonant cavity 13, 18, which thus comprises a first part B subjected to the vacuum and a second part C at atmospheric pressure for example.
- This arrangement facilitates the installation of an adjustment piston 42 and an electromagnetic coupling means 50, which will be explained more fully in the following description.
- the cavity 13 is formed by a first and a second metal tube 33, 36 coaxial with the emission axis 6, and constituting respectively an outer wall and an inner wall of the cavity 13; the outer wall 35 being secured to the first transverse wall 12, and the inner wall 36 being secured to the second inner transverse wall 26.
- a rear end 37 of the cavity 13 has a bottom plate 38 serving in particular to hold the outer walls and interior 35, 36.
- the cavity 13 also includes a metal ring 42 contained between the external and internal walls 35, 36, this ring being able to be moved parallel to the emission axis 6, by the action of a screw 43 secured to the plate. background 38; this metal ring constitutes the adjustment means 42 already mentioned, making it possible to modify the dimensions of the resonant cavity 13, 18, and to adjust in operation the frequency of re sound of the latter.
- the rear end 37 of the resonant cavity 13, 18 is thus closed by a short circuit; it should be noted that this piston 42 being in the part C not subjected to vacuum, it does not pose any problem with regard to sealing.
- the outer wall 35 has a passage 45 to which a transmission line 46 is applied; in the nonlimiting example described, this transmission line is a coaxial line, one end of which plunges into the cavity 13, and provided with an electromagnetic coupling means 50.
- this coupling means 50 is located in part C not subjected to the vacuum of the resonant cavity 13, 18, which can facilitate the problems of connection of transmission line 46.
- Magnetic and electric fields (not shown) at frequency F then develop in a conventional manner in the resonant cavity 13, 18, and excite the grid-cathode space 10.8; this determines a difference in alternating potential of frequency F between the gate 10 and the cathode 8.
- the electronic current delivered by the cannon 1 can thus be modulated more or less deeply, depending on the goal sought; the modulation depth or the type of modulation being obtained in particular, as a function of the level of polarization between the grid 10 and the cathode 8, of the level of the electromagnetic wave injected into the resonant cavity 13, 18, and also as a function of the distance d between the grid 10 and the cathode 8.
- the cavity 13 possibly having a different shape, as well as the coupling member 50; the latter can also be constituted by a coupling loop (not shown) rather than by a capacitive coupling as shown in FIG. 1.
- the coupling member 50 can also be constituted by a coupling loop (not shown) rather than by a capacitive coupling as shown in FIG. 1.
- a person skilled in the art can imagine a different structure for supporting the cathode 8, the wafer 21, and feed the filament 9.
- an electromagnetic wave of frequency F suitable for an accelerating structure into which it is injected makes it possible to accelerate electrons; having passed through this structure, the electrons constitute a beam of accelerated electrons of given energy.
- An accelerating structure generally consists of a succession of n accelerating cavities; in order to use the example of an irradiator with industrial application cited in the preamble, these accelerating cavities can be as described in a patent application by the applicant, published under No. 2,477,827.
- FIG. 2 schematically shows by way of nonlimiting example, an accelerating structure 3, comprising such accelerating cavities CI, C 2 , C 3 ; a single accelerating cavity CI can also suffice in certain cases. Electrons supplied by the barrel 1 according to the invention are injected into the accelerating structure 3 in a conventional manner, by means of a sliding and focusing element 50.
- the electrons are accelerated in the accelerating structure 3 in a medium direction A, merged with the axis 6 of emission of the electrons generated by the gun 1, thanks to an electromagnetic wave OE of frequency F provided by a generator 51.
- This wave is injected into the accelerating structure 3, in the accelerating cavity C 2 for example, by means of conventional coupling means, not shown, as well as coupling means between the resonant cavities CI, C 2 , C 3 .
- the electromagnetic wave OE at frequency F is also injected into the barrel 1, by means of a transformer device 52 and an adjustable phase shifter device 53.
- This makes it possible to inject into the barrel 1, the electromagnetic wave OE of frequency F generated by the generator 51, with an adjustable phase relative to that of the wave injected into the cavity C 2 ; this arrangement making it possible to modulate the electronic current delivered by the barrel 1 at the same frequency F, as that injected into the accelerating structure 3 for the acceleration of the electrons.
- electrons injected into the first accelerating cavity CI acquire therein, if the phase of the electromagnetic wave OE is favorable to them, a speed close to that of the light.
- the time during which the energy conveyed by this wave is given up to the electrons is at most equal to a half-period of this wave.
- a length L to be traversed by these in each cavity C 1 , C 2 , C 3 is less than half a wavelength; a sliding space 61 located between each cavity allowing the electrons to recover a correct phase of the wave, when they enter a next cavity.
- Such an arrangement is applicable to any linear accelerating structure of electrons. It reduces the energy consumed in the electromagnetic wave, while improving the energy homogeneity of an accelerated electron beam thus obtained.
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Description
L'invention concerne un canon à électrons pour accélérateur linéaire, permettant une modulation au courant électronique dès la formation de ce courant; elle concerne également une structure accélératrice munie d'un tel canon à électrons.The invention relates to an electron gun for a linear accelerator, allowing modulation of the electronic current as soon as this current is formed; it also relates to an accelerating structure provided with such an electron gun.
Des canons à électrons du type triode par exemple, sont utilisés pour générer des electrons injectés dans une structure accélératrice d'un accélérateur Jinéaire; une onde électromagnétique de fréquence appropriée à la structure accélératrice, permet d'accélérer ces électrons et de produire un faisceau dont les caractéristiques varient en fonction de son application.Electron cannons of the triode type, for example, are used to generate electrons injected into an accelerating structure of a Jinerary accelerator; an electromagnetic wave of frequency appropriate to the accelerating structure, makes it possible to accelerate these electrons and to produce a beam whose characteristics vary according to its application.
Ces applications sont variées et on trouve des accélérateurs linéraires utilisés à des fins scientifiques, ou pour constituer des irradiateurs destinés à des traitements thérapeutiques, et même de plus en plus fréquemment pour constituer des machines d'irradiation utilisées dans l'industrie.These applications are varied and there are route accelerators used for scientific purposes, or to constitute irradiators intended for therapeutic treatments, and even more and more frequently to constitute irradiation machines used in industry.
Ces machines d'irradiation industrielles permettent par exemple la stérilisation de divers produits, et peuvent généralement produire des faisceaux d'électrons ayant des énergies comprises entre 1 et 10 MeV.These industrial irradiation machines allow for example the sterilization of various products, and can generally produce electron beams having energies between 1 and 10 MeV.
La puissance électrique consommée par ces machines est considèrable, elle peut atteindre par exemple 130 kW dont seulement 20 kW se retrouvent dans le faisceau d'éléctrons accéléres; aussi le rendement global d'une telle machine a une répercussion directe et importante sur le coût de traitement des produits. Compte tenu du caractère industriel de ces opérations et de l'importance de la puissance électrique consommée, une amélioration de ce rendement a des conséquences économiques très favorables.The electrical power consumed by these machines is considerable, it can reach for example 130 kW of which only 20 kW are found in the beam of accelerated electrons; also the overall performance of such a machine has a direct and significant impact on the cost of processing products. Given the industrial nature of these operations and the importance of the electrical power consumed, an improvement in this yield has very favorable economic consequences.
Il est connu de grouper en paquet des électrons, grâce à une ou des cavités dites de pré-groupement situées sur le trajet des électrons; ces cavités de pré-groupement étant couramment disposées entre le canon à électrons et la structure accélératrice dans laquelle ces paquets sont injectés. Généralement le courant électronique fourni par le canon est établi de manière continue, durant un temps de fonctionnement donné et répétitif; les électrons constituant ce courant sont groupés par ces cavités, en paquets ayant une durée et une période déterminées par les caractéristiques de fonctionnement de ces cavités de pré-groupement.It is known to group electrons in a packet, using one or more so-called pre-grouping cavities located on the path of the electrons; these pre-grouping cavities being commonly arranged between the electron gun and the accelerating structure into which these packets are injected. Generally the electronic current supplied by the gun is established continuously, during a given and repetitive operating time; the electrons constituting this current are grouped by these cavities, in packets having a duration and a period determined by the operating characteristics of these pre-grouping cavities.
Un tel groupage en paquets des électrons peut permettre d'améliorer le rendement d'un accélérateur linéaire, dans la mesure où il évite de consommer de l'énergie véhiculée par l'onde électromagnétique, pour des électrons situés hors du domaine de l'acceptance en phase de l'accélérateur; mais la mise en oeuvre de ces cavités de pré-groupement est délicate et complexe.Such grouping in packets of electrons can make it possible to improve the efficiency of a linear accelerator, insofar as it avoids consuming the energy conveyed by the electromagnetic wave, for electrons situated outside the domain of acceptance. in the accelerator phase; but the implementation of these pre-grouping cavities is delicate and complex.
Dans la présente invention, une amélioration du rendement global d'une machine utilisant une structure accélératrice est obtenue grâce à une modulation du courant électronique, réalisée dès la génération de ce dernier par le canon à électrons; cette modulation permettant par exemple d'obtenir des paquets d'électrons injectés dans la structure accélératrice, sans nécessiter des cavités de pré-groupement à cet effet.In the present invention, an improvement in the overall efficiency of a machine using an accelerating structure is obtained by means of a modulation of the electronic current, produced from the generation of the latter by the electron gun; this modulation making it possible, for example, to obtain packets of electrons injected into the accelerating structure, without requiring pre-grouping cavities for this purpose.
Des canons à électrons pour accélérateur linéaire, sont fréquemment constitués par une cathode thermoémissive et une anode, entre lesquelles une grille contrôle le courant électronique en fonction d'une différence de potentiel établie entre la grille et la cathode; cette différence de potentiel peut être continue pour déterminer un temps de fonctionnement, comme il a été précédemment expliqué, ou comporter à l'intérieur de ce temps de fonctionnement des variations à fréquences élevées ou à transitoires brèves. Dans ce dernier cas, elle constitue un signal, généralement élaboré par un modulateur d'injection complexe, transporté par une ligne de transmission ayant des caractéristiques appropriées; mais l'établissement de ce signal entre la grille et la cathode, en respect avec le signal élaboré par le modulateur d'injection, présente des difficultés dues notamment à des capacités parasites.Electron guns for linear accelerator, are frequently constituted by a thermoemissive cathode and an anode, between which a grid controls the electronic current according to a potential difference established between the grid and the cathode; this potential difference can be continuous to determine an operating time, as it was previously explained, or include within this operating time variations at high frequencies or brief transients. In the latter case, it constitutes a signal, generally produced by a complex injection modulator, transported by a transmission line having appropriate characteristics; but the establishment of this signal between the grid and the cathode, in accordance with the signal produced by the injection modulator, presents difficulties due in particular to stray capacitances.
Une demande de brevet français publiée sous le No 2 389 992 décrit un canon à électrons à impulsions courtes, pour accélérateur linéaire. La structure de ce canon est telle qu'elle permet de prolonger la ligne de transmission, conduisant un signal de commande, jusqu'à une distance très courte de la cathode qui génère les électrons. Mais le problème qui se pose alors, est de fermer la ligne de transmission sur son impédance ca- . ractéristique, au voisinage de la cathode.A French patent application published under No. 2,389,992 describes a short pulse electron gun for a linear accelerator. The structure of this gun is such that it makes it possible to extend the transmission line, driving a control signal, up to a very short distance from the cathode which generates the electrons. But the problem which then arises is to close the transmission line on its ca impedance. characteristic, in the vicinity of the cathode.
La présente invention concerne un canon à électrons pour accélérateur linéaire, capable de produire un courant électronique modulé; son agencement permet d'éviter l'utilisation d'un modulateur d'injection complexe, et facilite l'établissement d'une différence de potentiel alternative entre la grille et la cathode. Elle concerne également une structure accélératrice d'un accélérateur linéaire d'électrons, muni d'un canon conforme à l'invention, permettant d'améliorer le rendement global d'une machine utilisant une telle structure accélératrice.The present invention relates to an electron gun for a linear accelerator, capable of producing a modulated electronic current; its arrangement avoids the use of a complex injection modulator, and facilitates the establishment of an alternative potential difference between the grid and the cathode. It also relates to an accelerating structure of a linear electron accelerator, provided with a barrel according to the invention, making it possible to improve the overall efficiency of a machine using such an accelerating structure.
Selon l'invention, un canon à électrons pour accélérateur linéraire, comportant une cathode émettrice, une grille capable de contrôler l'intensité du faisceau électronique émis par la cathode, une anode percée d'un trou centré autour d'un axe selon lequel sont émis les électrons et une ligne de transmission conduisant le signal de commande de l'intensité du faisceau, est caractérisé en ce qu'il comporte une cavité résonnante fermée sur l'espace compris entre la grille et la cathode, et contenant un organe de couplage électromagnétique lié à la ligne de transmission, lequel organe permet d'injecter une onde électromagnétique de fréquence F dans la cavité résonnante, afin d'amener celle-ci en résonance et d'exciter l'espace grille-cathode de manière à produire entre la grille et la cathode une différence de potentiel alternative de fréquence F par laquelle est modulé le courant du faisceau.According to the invention, an electron gun for linear accelerator, comprising a transmitting cathode, a grid capable of controlling the intensity of the electron beam emitted by the cathode, an anode pierced with a hole centered around an axis along which are emitted electrons and a transmission line conducting the beam intensity control signal, is characterized in that it comprises a resonant cavity closed on the space between the grid and the cathode, and containing a coupling member electromagnetic linked to the transmission line, which organ makes it possible to inject an electromagnetic wave of frequency F into the resonant cavity, in order to bring the latter into resonance and to excite the grid-cathode space so as to produce between the grid and the cathode a difference in alternating potential of frequency F by which the beam current is modulated.
L'onde électromagnétique servant à moduler le courant électronique généré par un tel canon à électrons, peut être prélevée et injectée dans la cavité résonnante du canon soit: à partir d'un générateur particulier à cette fonction; soit à partir d'un générateur destiné à fournir une onde électromagnétique injectée dans une structure accélératrice, soit en prélevant cette dernière onde électromagnétique dans une cavité accélératrice de cette structure, et notamment dans une cavité accélératrice la plus proche du canon.The electromagnetic wave used to modulate the electronic current generated by such an electron gun, can be taken and injected into the resonant cavity of the gun either: from a generator specific to this function; either from a generator intended to supply an electromagnetic wave injected into an accelerating structure, or by taking the latter electromagnetic wave in an accelerating cavity of this structure, and in particular in an accelerating cavity closest to the gun.
L'invention sera mieux comprise grâce à la description qui suit et aux trois figures annexées parmi lesquelles:
- - La figure 1 montre par une vue schématique en coupe un canon à électrons selon l'invention;
- - La figure 2 montre un canon à électrons conforme à l'invention associé à une structue accélératrice et couplé à une générateur d'ondes électromagnétiques;
- - La figure 3 représente des corrélations de phases entre le courant électronique modulé et l'onde électromagnétique injectée dans la structure accélératrice.
- - Figure 1 shows a schematic sectional view of an electron gun according to the invention;
- - Figure 2 shows an electron gun according to the invention associated with an accelerating structure and coupled to an electromagnetic wave generator;
- - Figure 3 shows phase correlations between the modulated electronic current and the electromagnetic wave injected into the accelerator structure.
La figure 1 montre un canon à électrons 1 conforme à l'invention. Ce canon 1 comporte une anode 2; dans l'exemple non limitatif décrit, celle-ci est fixée par des vis 4 à un élément 50 d'une structure accélératrice 3, partiellement représentée. Dans cette anode 2, un trou 5 destiné au passage des électrons, est centré sur un axe 6 selon lequel les électrons, émis par une cathode 8, sont attirés par l'anode 2. La cathode 8 comporte un filament 9 et les électrons attirés par l'anode 2 traversent le plan d'une grille 10 destinée à contrôler le passage des électrons; la grille 10 est maintenue par une tube support 11 métallique, centré autour de l'axe d'émission 6. Ce tube support 11 constitue un prolongement d'une cavité 13 de type coaxial, elle-même centrée autour de l'axe d'émission 6; le tube support 11 est fixé à une première paroi transversale 12 de cette cavité 13, par soudure par exemple. Un tube métallique intérieur 14, également centré autour de l'axe d'émission 6, est fixé à une seconde paroi transversale 26 intérieure de la cavité 13.Figure 1 shows an
La cavité 13 communique ainsi avec un espace supplémentaire 18 délimité par la grille 10, le tube support 11, le tube métallique intérieur 14, avec lesquels cette cavité 13 constitue une cavité résonnante 13,18 coaxiale.The
La cavité résonnante 13, 18, disposée selon un axe longitudinal confondu avec l'axe d'émission 6, est ainsi limitée à une extrémité 7 par la grille 10; la cathode 8 étant à une distance d de la grille qui constitue un espace cathode-grille 8, 10 sur lequel, en fonctionnement, est fermée la cavité résonnante 13,18.The
Un tube isolant électrique 20, en céramique par exemple, entoure le tube support 11, afin de maintenir un vide nécessaire au fonctionnement du canon 1, grâce à des moyens d'étanchéité 22; des moyens servant à la fixation du tube isolant 20 et des moyens d'étanchéité 22, étant classiques, ne sont pas représentés.An electrical insulating tube 20, made of ceramic for example, surrounds the support tube 11, in order to maintain a vacuum necessary for the operation of the
La cathode 8 est solidaire d'une manière conventionnelle d'une plaquette 21, laquelle comporte un premier et un second plot Pl, P2, auxquels sont respectivement reliées des extrémités Fl, F2 du filament 9; la cathode 8 étant par exemple également reliée au second plot P2. La plaquette 21 de forme circulaire est encastrée dans le tube métallique intérieur 14 et, elle est supportée par un pion central isolant 25; ce dernier est fixé à la paroi transversale intérieure 26 métallique de la cavité 13, d'une manière classique, par des moyens (non représentés) permettant grâce aux moyens d'étanchéité 22 de conserver le vide. Une première liaison électrique 28 relie le premier plot PI, à une traversée étanche 30, et une seconde liaison électrique 29 située axialement à l'intérieur du pion central 25, relie le second plot P2 à une seconde traversée étanche 31. Ces traversées étanches constituent des moyens de connexion permettant l'alimentation du filament 9 et l'accès électrique à la cathode 8; afin de permettre l'isolation électrique entre la cathode 8 et la grille 10, le tube intérieur 14 métallique comporte un anneau isolant 60. L'alimentation électrique tant en haute tension qu'en basse tension du canon à électrons 1, étant réalisée de manière classique, les circuits destinés à cette opération ainsi que d'éventuels moyens de refroidissement du canon 1 ne sont pas représentés.The cathode 8 is secured in a conventional manner to a
Dans l'exemple non limitatif décrit, il est également installé dans la cavité 13 un second tube isolant 33, placé dans le prolongement du premier tube 20, permettant d'assurer une étanchéité au vide grâce aux moyens d'étanchéité 22: ceci étant réalisé afin d'éviter d'établir le vide dans l'ensemble de la cavité résonnante 13, 18, qui comporte ainsi une première partie B soumise au vide et une seconde partie C à la pression atmosphérique par exemple. Cette disposition facilite l'installation d'un piston 42 de réglage et d'un moyen de couplage électromagnétique 50, qui seront d'avantage explicités dans la suite de la description.In the nonlimiting example described, there is also installed in the cavity 13 a second insulating tube 33, placed in the extension of the first tube 20, making it possible to ensure a vacuum tightness thanks to the sealing means 22: this being achieved in order to avoid establishing a vacuum in the whole of the
La cavité 13 est formée par un premier et un second tube métallique 33, 36 coaxiaux à l'axe d'émission 6, et constituant respectivement une paroi extérieure et une paroi intérieure de la cavité 13; la paroi extérieure 35 étant solidaire de la première paroi transversale 12, et la paroi intérieure 36 étant solidaire de la seconde paroi transversale intérieure 26. Une extrémité arière 37 de la cavité 13 comporte une plaque de fond 38 servant notamment à maintenir les parois extérieures et intérieures 35, 36.The
La cavité 13 comporte également un anneau métallique 42 contenu entre les parois extérieurs et intérieures 35, 36, cet anneau pouvant être déplacé parallèlement à l'axe d'émission 6, grâce à l'action d'une vis 43 solidaire de la plaque de fond 38; cet anneau métallique constitue le moyen de réglage 42 déjà cité, permettant de modifier les dimensions de la cavité résonnante 13, 18, et d'ajuster en fonctionnement la fréquence de résonnance de cette dernière. En fonctionnement l'extrémité arrière 37 de la cavité résonnante 13, 18 est ainsi fermée par un court-circuit; il est à remarquer que ce piston 42 étant dans la partie C non soumise au vide, il ne pose pas de problème vis-à-vis de l'étanchéité.The
La paroi extérieure 35 comporte un passage 45 auquel est appliqué une ligne de transmission 46; dans l'exemple non limitatif décrit, cette ligne de transmission est une ligne coaxiale dont une extrémité plongeant dans la cavité 13, et munie d'un moyen de couplage électromagnétique 50. Dans l'exemple non limitatif décrit, ce moyen de couplage 50 est situé dans la partie C non soumise au vide de la cavité résonnante 13, 18, ce qui peut faciliter les problèmes de connexion de ligne de transmission 46.The outer wall 35 has a
En supposant réalisées des conditions de fonctionnement, telles que par exemple:
- - application d'une tension de chauffage du filament 9;
- - application de la haute tension entre la cathode 8 et l'anode 2; l'anode pouvant par exemple comme il est souvent pratiqué être à la masse et la cathode au moins haute tension;
- - application éventuellement d'une tension de polarisation entre la cathode 8 et la grille 10;
- - enfin injection dans la cavité résonnante 13, 18, par l'organe de couplage électromagnétique 50, d'une onde électromagnétique amenée par la ligne de
transmission 46; cette onde électromagnétique, générée par un générateur non représenté sur la figure 1, ayant une fréquence F égale à la fréquence de résonnance de la cavité résonnante 13, 18 ou multiple de cette fréquence de résonnance.
- - application of a heating voltage of the filament 9;
- - application of the high voltage between the cathode 8 and the
anode 2; the anode being able for example as it is often practiced to be with the ground and the cathode at least high voltage; - - optionally applying a bias voltage between the cathode 8 and the grid 10;
- - Finally injection into the
13, 18, by theresonant cavity electromagnetic coupling member 50, of an electromagnetic wave supplied by thetransmission line 46; this electromagnetic wave, generated by a generator not shown in FIG. 1, having a frequency F equal to the resonant frequency of the 13, 18 or multiple of this resonant frequency.resonant cavity
Des champs magnétiques et électriques (non représentés) à la fréquence F se développent alors d'une manière classique dans la cavité résonnante 13, 18, et excitent l'espace grille-cathode 10,8; ceci détermine une différence de potentiel alternative de fréquence F entre la grille 10 et la cathode 8.Magnetic and electric fields (not shown) at frequency F then develop in a conventional manner in the
Cette différence de potentiel alternative ou tension alternative, se superpose à la tension de polarisation permettant ainsi une modulation du courant électronique (non représenté). Le courant électronique délivré par le cannon 1 peut ainsi être modulé plus ou moins profondément, selon le but recherché; la profondeur de modulation ou le type de modulation étant obtenu notamment, en fonction du niveau de la polarisation entre la grille 10 et la cathode 8, du niveau de l'onde électromagnétique injectée dans la cavité résonnante 13, 18, et également en fonction de la distance d entre la grille 10 et la cathode 8.This difference in alternating potential or alternating voltage is superimposed on the bias voltage, thus allowing modulation of the electronic current (not shown). The electronic current delivered by the
Ceci constitue un exemple non limitatif d'un canon à électrons 1 selon l'invention, la cavité 13 pouvant avoir une forme différente, de même que l'organe de couplage 50; ce dernier pouvant également être constitué par une boucle de couplage (non représentée) plutôt que par un couplage capacitif tel que montré sur la figure 1. De même un homme du métier peut imaginer une structure différente pour supporter la cathode 8, la plaquette 21, et alimenter le filament 9.This constitutes a nonlimiting example of an
Ainsi qu'il a déjà été dit dans le préambule, une onde électromagnétique de fréquence F appropriée à une structure accélératrice dans laquelle elle est injectée, permet d'accélérer des électrons; ayant traversée cette structure, les électrons constituent un faisceau d'électrons accélérés d'énergie donnée.As has already been said in the preamble, an electromagnetic wave of frequency F suitable for an accelerating structure into which it is injected, makes it possible to accelerate electrons; having passed through this structure, the electrons constitute a beam of accelerated electrons of given energy.
Une structure accélératrice est généralement constituée d'une succession de n cavités accélératrices; afin de reprendre l'exemple d'irradiateur à application industrielle citée dans le préambule, ces cavités accélératrices peuvent être telles que décrites dans une demande de brevet de la demanderesse, publiée sous le No 2 477 827.An accelerating structure generally consists of a succession of n accelerating cavities; in order to use the example of an irradiator with industrial application cited in the preamble, these accelerating cavities can be as described in a patent application by the applicant, published under No. 2,477,827.
La figure 2 montre schématiquement à titre d'exemple non limitatif, une structure accélératrice 3, comportant de telles cavités accélératrices CI, C2, C3; une unique cavité accélératrice CI pouvant également suffire dans certains cas. Des électrons fournis par le canon 1 selon l'invention, sont injectés dans la structure accélératrice 3 d'une manière classique, par l'intermédiaire d'un élément de glissement et de focalisation 50.FIG. 2 schematically shows by way of nonlimiting example, an accelerating
Les électrons sont accélérés dans la structure accélératrice 3 dans une direction moyenne A, confondue avec l'axe 6 d'émission des électrons générés par le canon 1, grâce à une onde électromagnétique O.E de fréquence F fournie par un générateur 51. Cette onde est injectée dans la structure accélératrice 3, dans la cavité accélératrice C2 par exemple, grâce à des moyens de couplages conventionnels, non représentés ainsi que des moyens de couplage entre les cavités résonnantes CI, C2, C3.The electrons are accelerated in the accelerating
Dans l'exemple non limitatif décrit, l'onde électromagnétique O.E à fréquence F est également injectée dans le canon 1, par l'intermédiaire d'un dispositif transformateur 52 et d'un dispositif déphaseur 53 réglable. Ceci permet d'injecter dans le canon 1, l'onde électromagnétique O.E de fréquence F générée par le générateur 51, avec une phase ajustable par rapport à celle de l'onde injectée dans la cavité C2; cette disposition permettant de moduler le courant électronique délivré par le canon 1 à une même fréquence F, que celle injectée dans la structure accélératrice 3 pour l'accélération des électrons.In the nonlimiting example described, the electromagnetic wave OE at frequency F is also injected into the
Il peut être intéressant également pour des questions d'ordre pratique, de prélever l'onde électromagnétique dans la structure accélératrice 3, dans la première cavité accélératrice Cl par exemple, étant donné sa proximité avec le canon 1 ; cette variante est représentée en traits pointillés sur la figure 2: l'onde électromagnétique repérée O.E' est injectée dans le canon 1 par l'intermédiaire d'un transformateur 52' et d'un déphaseur 53'.It may also be advantageous for practical reasons to take the electromagnetic wave in the accelerating
En général, des électrons injectés dans la première cavité accélératrice CI acquièrent dans celle-ci, si la phase de l'onde électromagnétique O.E leur est favorable, une vitesse voisine de celle de la lumière. Le temps pendant lequel l'énergie véhiculée par cette onde est cédée aux électrons, est au maximum égal à une demi-période de cette onde. Aussi, afin d'éviter une diminution d'énergie des électrons, une longueur L à parcourir par ceux-ci dans chaque cavité C1, C2, C3 est inférieure à une demi longueur d'onde; un espace de glissement 61 situé entre chaque cavité permettant aux électrons de récupérer une phase correcte de l'onde, à leur entrée dans une cavité suivante.In general, electrons injected into the first accelerating cavity CI acquire therein, if the phase of the electromagnetic wave OE is favorable to them, a speed close to that of the light. The time during which the energy conveyed by this wave is given up to the electrons, is at most equal to a half-period of this wave. Also, in order to avoid a decrease in energy of the electrons, a length L to be traversed by these in each cavity C 1 , C 2 , C 3 is less than half a wavelength; a sliding
En supposant que les électrons parviennent dans une cavité C1, à partir d'un instante, comme montré par la figure 3; l'instant t1 correspondant au début d'une demi période accélératrice P/2 de l'onde électromagnétique O.E: l'énergie cédée aux électrons à cet instant t1 est nulle et va en croissant jusqu'à l'instant t2 correspondant au maximum de la crête c de l'onde; elle décroit ensuite jusqu'à l'instant t3 qui correspond à la fin de la demi période P/2.Assuming that the electrons arrive in a cavity C 1 , from an instant, as shown in Figure 3; the instant t 1 corresponding to the start of a half accelerating period P / 2 of the electromagnetic wave OE: the energy given up to the electrons at this instant t 1 is zero and increases until the corresponding instant t 2 at the maximum of the peak c of the wave; it then decreases until time t 3 which corresponds to the end of the half period P / 2.
Ceci peut conférer aux électrons des énergies différentes selon leur arrivée dans cette cavité durant l'intervalle de temps compris entre l'ins- tan t1 et l'instant t3; un faisceau d'électrons accéléré ainsi obtenu serait peut être homogène en énergie.This can give electrons different energies according to their arrival in this cavity during the time interval between instant t 1 and instant t 3 ; an accelerated electron beam thus obtained could be homogeneous in energy.
Il est à remarquer également que des électrons faiblement accélérés tendent à diverger de la direction A et sont alors perdus pour le faisceau d'électrons; ces électrons ayant consommés, bien que perdus pour le faisceau, une partie non négligeable de l'énergie véhiculée par l'onde électromagnétique O.E.It should also be noted that weakly accelerated electrons tend to diverge from direction A and are then lost to the electron beam; these electrons having consumed, although lost for the beam, a non-negligible part of the energy conveyed by the electromagnetic wave O.E.
Il est de ce fait particulièrement intéressant de commander le canon à électrons 1 conformément à l'invention, de manière à obtenir des impulsions 60 du courant électronique qu'il fournit; ces impulsions 60 constituant des paquets d'électrons, délivrés à une même fréquence F que celle de l'onde électromagnétique.It is therefore particularly advantageous to control the
En modulant ainsi le canon 1 à électrons, de façon à obtenir des impulsions ou paquets 60, de largeur 1 inférieure ou égale à une demi période P/2, on peut également obtenir grâce au dispositif déphaseur 53, qu'ils coïncident dans chaque cavité C1, C2, C3 avec la crête de la demi période accélératrice P/2; l'onde électromagnétique O.E. transférant ainsi aux électrons l'énergie qu'elle véhicule, durant seulement une fraction f de la demi période accélératrice P/2, où cette énergie est maximum. Ceci évitant également une consommation de cette énergie, pour accélérer des électrons situés hors du domaine d'accep- tance en phase de l'accélérateur.By thus modulating the
Une telle disposition est applicable à toute structure accélératrice linéaire d'électrons. Elle permet de diminuer l'énergie consommée en onde électromagnétique, tout en améliorant l'homogénéité en énergie d'un faisceau d'électrons accélérés ainsi obtenu.Such an arrangement is applicable to any linear accelerating structure of electrons. It reduces the energy consumed in the electromagnetic wave, while improving the energy homogeneity of an accelerated electron beam thus obtained.
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