EP0127512B1 - Cavité accélératrice autofocalisante de particules chargées - Google Patents

Cavité accélératrice autofocalisante de particules chargées Download PDF

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EP0127512B1
EP0127512B1 EP84400968A EP84400968A EP0127512B1 EP 0127512 B1 EP0127512 B1 EP 0127512B1 EP 84400968 A EP84400968 A EP 84400968A EP 84400968 A EP84400968 A EP 84400968A EP 0127512 B1 EP0127512 B1 EP 0127512B1
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EP
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longitudinal axis
accelerating cavity
accelerating
wall
revolution
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Jeanne Aucouturier
Hubert Leboutet
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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
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/14—Vacuum chambers
    • H05H7/18—Cavities; Resonators

Definitions

  • the present invention relates to a self-focusing accelerating cavity of charged particles, particularly intended to form the first or single accelerating cavity of a linear accelerator accelerating structure.
  • a correction of this defocusing effect is particularly useful in the first or possibly the only accelerating cavity of the accelerating structure.
  • This effect can be corrected by adding solenoids, arranged concentrically around the accelerating structure, to create a corrective magnetic field.
  • the object of the present invention is to correct the defocusing of a beam of charged particles, by virtue of the new arrangement of an accelerating cavity; this arrangement being on the one hand, of a low cost, compatible with a solution of the solenoids, and on the other hand applicable to all the cases previously mentioned.
  • a self-focusing accelerating cavity of charged particles intended to constitute the first or the only cavity of a linear accelerating structure, comprising a longitudinal axis around which it is delimited by a peripheral wall having a given parallel length to said longitudinal axis and connecting an inlet wall to an outlet wall by which said accelerating cavity is delimited along said longitudinal axis, said longitudinal axis being coincident with the axis of a beam of charged particles accelerated under the effect of '' an electromagnetic wave and penetrating into said accelerating cavity by an inlet orifice which is provided with said inlet wall, said outlet wall being substantially perpendicular to said longitudinal axis and comprising an outlet orifice through which said beam exits from said accelerator cavity , is characterized in that at least the central zone of the entry wall is inclined on said long itudinal and deviates from it in the direction of propagation of said beam, so as to form a surface of revolution admitting said longitudinal axis as axis of revolution and, constituting by this surface of revolution
  • the accelerating cavities for the linear accelerating structure of charged particles are formed by resonant cavities which, in the prior art, have an entry wall normal to the axis of the particle beam; these resonant cavities are excited in such a way that the maximum electric field component is on the beam axis, field lines in the vicinity of the beam axis then being parallel to this axis.
  • the inclination of the entry wall on the axis of the beam determines a radial component in the electric field, while retaining the maximum component of electric field on the beam axis; this radial component tending to cause the field lines in the vicinity of the axis to converge towards this axis, causing a focusing effect of the charged particles.
  • FIG. 1 partially shows a linear accelerating structure 1 of charged particles comprising a first cavity formed by an accelerating cavity CA according to the invention, followed by n accelerating cavities C1, C2, n being in the example equal to 2.
  • the structure 1 has a longitudinal axis 3, coincident with the axis of symmetry of the first cavity CA, and which also constitutes the axis of a particle beam (not shown) propagating in the direction of the arrow 2; this particle beam is accelerated by the energy of an electromagnetic wave (not shown) conventionally injected into the structure 1 by a coupling means 4.
  • the electromagnetic wave is injected into an accelerating cavity C1, which follows the first CA accelerating cavity; this wave can also be injected at another level, and in particular at that of the first cavity CA, when the latter constitutes in a known manner, the only accelerating cavity of a structure (not shown).
  • Coupling means between the cavities CA, C1, C2, as well as other details of the accelerating structure 1 are not shown, this structure being, apart from the shape of an inlet wall 8 of the first accelerating cavity CA according to the invention, of a conventional type.
  • the accelerating cavity CA has a circular section, delimited by a peripheral wall 30 parallel to the longitudinal axis 3 and connecting the inlet wall 8 to an outlet wall 12; the section of the accelerating cavity CA being in a plane perpendicular to that of FIG. 1, it is not visible on the latter.
  • the inlet wall 8 comprises a central zone ZC which, from the inlet orifice 7, is inclined on the axis 3 of the beam and deviates from it in the direction 2 of propagation of the latter, so as to form a surface of revolution 10 admitting the axis 3 of the beam as axis of revolution; this surface of revolution 10, of conical shape in the nonlimiting example described, being also defined on the one hand, by a generatirce formed by a straight line 11 merged in the plane of the figure with the surface of revolution 10, and d on the other hand, by a director made up of a circle 9 which, in the plane of the figure, forms a straight line represented in dotted lines.
  • the surface of revolution 10 is linked to a peripheral surface 13 of the inlet wall 8 by an intermediate surface 14; this shape of the inlet wall 8, shown by way of nonlimiting example, being intended to obtain the desired resonance frequency of the cavity CA according to the invention.
  • this focusing effect is attributed to the existence, in the accelerating cavity CA according to the invention, of a radial component of electric field, caused in the nonlimiting example described, by the inclination on the axis of the beam 3 of a central zone ZC of the inlet wall 8; field lines L1, L2, L3 ... Ln between the central zone ZC and the outlet wall 12, then tend to convert from this central zone towards the axis 3 of the beam and, tend to become parallel to the latter, the outlet wall 12 being substantially perpendicular to this axis 3 of the beam.
  • An optimum value of the angle a depends on the desired amplitude of this focusing effect, and its determination takes into account in particular the divergence and the energy of the beam of particles entering the accelerating cavity CA according to the invention.
  • the generator 11 of the surface of revolution 10 could be extended, as shown by the line in dotted lines 11A; the wall 8 thus being totally inclined on the longitudinal axis 3 and joining the peripheral wall 30 at a distance D 'from the outlet wall 12; the height H of the surface of revolution 10, reported on the longitudinal axis 3, being in all cases less than a distance D2 constituted by the path of the particles charged in the accelerating cavity CA along the longitudinal axis 3.
  • This configuration is possible in the case where the potential difference between the inlet wall 8 and the opposite wall 12 is small enough to avoid breakdown, as is often the case in a pre-grouping cavity; this latter function can advantageously be fulfilled by the cavity CA according to the invention, thanks to the focusing effect of the charged particles it produces.
  • the surface of revolution 10 of the accelerating cavity CA can also comprise, as shown in FIG. 2, a first or a second curved generator 20, 21 giving the surface of revolution 10, that is to say a convex shape thanks to the first curved generator 20, ie a concave shape thanks to the second curved generator 21.
  • an accelerating cavity according to the invention makes it possible to focus the charged particles of an accelerated beam in a linear accelerating structure, thanks to the shape of its inlet wall 8; such a CA cavity provides a simple solution applicable to all types of linear accelerators.

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Description

  • La présente invention concerne une cavité accélératrice auto-focalisante de particules chargées, particulièrement destinée à former la première ou l'unique cavité accélératrice d'une structure accélératrice d'accélérateur linéaire.
  • Dans des accélérateurs linéaires de particules chargées, il est connu qu'une difficulté importante est due à la défocalisation du faisceau de particules chargées le long de la structure accélératrice, et cela notamment dans la première partie de l'accélérateur; cet effet s'affirmant d'autant plus que l'énergie des particules est encore faible.
  • L'une des conséquences de la défocalisation du faisceau est qu'elle augmente le nombre de particules situées hors du domaine d'acceptance de l'accélérateur; ceci entraînant une dégradation des qualités du faisceau. de particules accéléré obtenu, telles que par exemple l'homogénéité en énergie, et peut porter également sur le rendement global de l'accélérateur linéaire.
  • Aussi une correction de cet effet défocalisation est particulièrement utile dans la première ou éventuellement l'unique cavité accélératrice de la structure accélératrice. Cet effet peut être corrigé en ajoutant des solénoïdes, disposés concentriquement autour de la structure accélératrice, pour créer un champ magnétique correcteur.
  • Cette solution peut être envisagée, malgré son coût important, si la structure a une faible section, l'onde électromagnétique injectée dans cette structure pour l'accélération du faisceau ayant une fréquence élevée (généralement 3000 MHZ); la longueur d'onde est alors faible et, la fréquence de résonance des cavités accélératrices est obtenue avec de faibles dimensions géométriques de ces dernières.
  • Cette solution est d'autant plus onéreuse et difficile à appliquer, que la section de la structure accélératrice augmente, et devient pratiquement impossible à appliquer quand l'accélérateur linéaire fonctionne en ondes métriques; le diamètre de la structure accélératrice pouvant alors être compris entre 1 à 2 mètres.
  • La présente invention a pour but de corriger la défocalisation d'un faisceau de particules chargées, grâce à l'agencement nouveau d'une cavité accélératrice; cet agencement étant d'une part, d'un faible coût, compaté à a solution des solénoïdes, et d'autre part applicable à tous les cas précédemment mentionnés.
  • Selon l'invention, une cavité accélératrice auto- focalisante de particules chargées, destinée à constituer la première ou l'unique cavité d'une structure accélératrice linéaire, comportant un axe longitudinal autour duquel elle est délimitée par une paroi périphérique ayant une longueur donnée parallèle audit axe longitudinal et reliant une paroi d'entrée à une paroi de sortie par lesquelles ladite cavité accélératrice est délimitée le long dudit axe longitudinal, ledit axe longitudinal étant confondu avec l'axe d'un faisceau de particules chargées accélérée sous l'effet d'une onde électromagnétique et pénétrant dans ladite cavité accélératrice par un orifice d'entrée dont est munie ladite paroi d'entrée, ladite paroi de sortie étant sensiblement perpendiculaire audit axe longitudinal et comportant un orifice de sortie par lequel ledit faisceau sort de ladite cavité accélératrice, est caractérisée en ce que au moins la zone centrale de la paroi d'entrée est inclinée sur ledit aux longitudinal et s'en écarte dans le sens de propagation dudit faisceau, de manière à former une surface de révolution admettant ledit axe longitudinal comme axe de révolution et, constituer par cette surface de révolution une lentille focalisatrice des particules chargées.
  • Nous attribuons l'effet de focalisation des particules chargées, dans une cavité accélératrice selon l'invention à une distribution des composantes de champ électrique différente de celle existant dans une cavité accélératrice selon l'art antérieur. Les cavités accélératrices pour structure accélératrice linéaire de particules chargées, sont constituées par des cavités résonnantes qui, dans l'art antérieur, comportent une paroi d'entrée normale à l'axe du faisceau de particules; ces cavités résonnantes sont excitées sur un mode tel, que la composante de champ électrique maximum est sur l'axe du faisceau, des lignes de champ au voisinage de l'axe du faisceau étant alors parallèles à cet axe.
  • Nous pensons que dans la cavité accélératrice selon l'invention, l'inclinaison de la paroi d'entrée sur l'axe du faisceau, symétriquement par rapport à ce dernier, détermine au champ électrique une composante radiale, tout en conservant la composante maximum de champ électrique sur l'axe du faisceau; cette composante radiale tendant à ce que les lignes de champ au voisinage de l'axe, convergent vers cet axe, entraînant un effet de focalisation des particules chargées.
  • L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, et des deux figures annexées parmi lesquelles:
    • -la figure 1 montre schématiquement par une vue en coupe longitudinale, une structure accélératrice munie d'une cavité accélératrice autofocalisante conforme à l'invention;
    • -la figure 2 représente une variante d'une cavité accélératrice autofocalisante selon l'invention.
  • La figure 1 montre partiellement, une structure accélératrice linéaire 1 de particules chargées comportant une première cavité formée d'une cavité accélératrice CA conforme à l'invention, suivie de n cavités accélératrices C1, C2, n étant dans l'exemple égal à 2.
  • La structure 1 comporte un axe longitudinal 3, confondu avec l'axe de symétrie de la première cavité CA, et qui constitue également l'axe d'un faisceau de particules (non représenté) se propageant dans le sens de la flèche 2; ce faisceau de particules est accéléré grâce à l'énergie d'une onde électromagnétique (non représentée) injectée de manière classique dans la structure 1 par un moyen de couplage 4. Dans l'exemple non limitatif décrit, l'onde électromagnétique est injectée dans un cavité accélératrice C1, qui suit la première cavité accélératrice CA; cette onde pouvant également être injectée à un autre niveau, et notamment à celui de la première cavité CA, quant cette dernière constitue d'une manière connue, l'unique cavité accélératrice d'une structure (non représentée).
  • Des moyens de couplage entre les cavités CA, C1, C2, ainsi que d'autres détails de la structure accélératrice 1 ne sont pas représentés, cette structure étant, à part la forme d'une paroi d'entrée 8 de la première cavité accélératrice CA selon l'invention, d'un type classique.
  • Dans l'exemple non limitatif décrit, la cavité accélératrice CA comporte une section circulaire, délimitée par une paroi périphérique 30 parallèle à l'axe longitudinal 3 et reliant la paroi d'entrée 8 à une paroi de sortie 12; la section de la cavité accélératrice CA étant dans un plan perpendiculaire à celui de la figure 1, elle n'est pas visible sur cette dernière.
  • Le faisceau de particules provenant par exemple, d'une manière connue d'un canon à électrons suivi d'un élément de glissement (non représentés), pénètre dans la première cavité accélératrice CA par un orifice d'entrée 7; cet orifice d'entrée 7 est centré sur l'axe longitudinal 3 ou axe 3 du faisceau, et débouche dans la paroi d'entrée 8 de la première cavité accélératrice CA, le faisceau sortant de cette cavité accélératrice CA par un orifice de sortie 31 dont est munie la paroi de sortie 12.
  • Dans l'exemple non limitatif de la description, la paroi d'entrée 8 comporte une zone centrale ZC qui, à partir de l'orifice d'entrée 7, est inclinée sur l'axe 3 du faisceau et s'en écarte dans la sens 2 de propagation de ce dernier, de manière à former une surface de révolution 10 admettant l'axe 3 du faisceau comme axe de révolution; cette surface de révolution 10, de forme conique dans l'exemple non limitatif décrit, étant également définie d'une part, par une génératirce formée d'une droite 11 confondue dans le plan de la figure avec la surface de révolution 10, et d'autre part, par une directrice constituée d'un cercle 9 qui, dans le plan de la figure, forme une droite représentée en traits pointillés.
  • La surface de révolution 10 est liée à une surface périphérique 13 de la paroi d'entrée 8 par une surface intermédiaire 14; cette forme de la paroi d'entrée 8, montrée à titre d'exemple non limitatif, étant destinée à obtenir la fréquence de résonance désirée de la cavité CA selon l'invention.
  • Des essais ont montré qu'il suffit que l'angle a, formé entre la génératrice 11 et l'axe 3 du faisceau, soit légèrement inférieur à 90° pour obtenir un effet de focalisation des particules chargées. Cet effet étant comparable à celui obtenu par exemple par une lentille électrostatique (non représentée).
  • Ainsi qu'il a été précédemment expliqué cet effet de focalisation est attribué à l'existence, dans la cavité accélératrice CA selon l'invention, d'une composante radiale de champ électrique, provoquée dans l'exemple non limitatif décrit, par l'inclinaison sur l'axe du faisceau 3 d'une zone centrale ZC de la paroi d'entrée 8; des lignes de champ L1, L2, L3...Ln entre la zone centrale ZC et la paroi de sortie 12, tendent alors à converter de cette zone centrale vers l'axe 3 du faisceau et, tendent à devenir parallèles à ce dernier, la paroi de sortie 12 étant sensiblement perpendiculaire à cet axe 3 du faisceau.
  • Une valeur optimum de l'angle a dépend de l'amplitude désirée de cet effet de focalisation, et sa détermination prend notamment en compte la divergene et l'énergie du faisceau de particules pénétrant dans la cavité accélératrice CA selon l'invention.
  • Il est à signaler qu'un compromis est à établir entre la valeur de l'angle a et une hauteur H du cône que constitue la surface de révolution 10, cette hauteur H étant alignée sur l'axe longitudinal 3 ou axe 3 du faisceau. Ce compromis est à établir notamment en fonction d'une distance D minimum à conserver, entre la paroi de sortie 12 et la surface de révolution 10 dont est munie la paroi d'entrée 8; ceci afin d'éviter des claquages électriques dus aux différences de potentiel (non représentées) entre la paroi de sortie 12 et l'arête 25 par exemple, formée à la jonction de la surface de révolution 10 et de la surface intermédiaire 14 qui constituent la paroi d'entrée 8.
  • Ainsi dans le cas par exemple d'une structure accélératrice 1 destinée à fonctionner en onde métrique, pour laquelle ainsi qu'il a été expliqué dans le préambule, la focalisation du faisceau est particulièrement intéressante, une cavité accélératrice CA conforme à l'invention présente des dimensions suivantes, données à titre d'exemple non limitatif:
    • -l'angle a a une valeur de 70°;
    • -la hauteur H est de 85 millimètres;
    • -la distance D entre l'arête 25 et la paroi de sortie 12 est de 450 millimètres;
    • -une distance D1 entre la surface périphérique 13 de la paroi d'entrée 8 et la paroi de sortie 12, et représentant la longueur de la première cavité accélératrice CA, est de 650 millimètres;
    • - la différence de potentiel crête entre la paroi d'entrée 8, et la paroi opposée 12, étant de l'ordre de 6 à 7 MV.
  • Il est à remarquer à ce propos que la génératrice 11 de la surface de révolution 10 pourrait être prolongée, comme il est montré par la ligne en traits pointillés 11A; la paroi 8 étant ainsi totalement inclinée sur l'axe longitudinal 3 et rejoignant la paroi périphérique 30 à une distance D' de la paroi de sortie 12; la hauteur H de la surface de révolution 10, rapportée sur l'axe longitudinal 3, étant dans tous les cas inférieure à une distance D2 constituée par le trajet des particules chargées dans la cavité accélératrice CA le long de l'axe longitudinal 3. Cette configuration est possible dans le cas où la différence de potentiel entre la paroi d'entrée 8 et la paroi opposée 12 est assez faible pour éviter le claquage, comme c'est souvent le cas dans une cavité de prégroupement; cette dernière fonction pouvant être avantageusement remplie par la cavité CA selon l'invention, grâce à l'effet de focalisation des particules chargées qu'elle produit.
  • La surface de révolution 10 de la cavité accélératrice CA selon l'invention, peut également comporter, comme il est montré par la figure 2, une première ou une seconde génératrice courbe 20, 21 conférant à la surface de révolution 10, soit une forme convexe grâce à la premier génératrice courbe 20, soit une forme concave grâce à la seconde génératrice courbe 21.
  • Cette description non limitative, montre qu'une cavité accélératrice conforme à l'invention permet de focaliser les particules chargées d'un faisceau accéléré dans une structure accélératrice linéaire, grâce à la forme de sa paroi d'entrée 8; une telle cavité CA apporte une solution simple et applicable à tous les types d'accélérateurs linéaires.

Claims (4)

1. Cavité accélératrice autofocalisante de particules chargées, destinée à constituer la première ou l'unique cavité (CA) d'une structure accélératrice linéaire (1), comportant un axe longitudinal (3) autour duquel elle est délimitée par une paroi périphérique (30) ayant une longueur donnée (D1), parallèle audit axe longitudinal (3) et reliant une paroi d'entrée (8) à une paroi de sortie (12) par lesquelles ladite cavité accélératrice (CA) est délimitée le long dudit axe longitudinal (3), ledit axe longitudinal (3) étant confondu avec l'axe d'un faisceau de particules chargées accéléré sous l'effet d'une onde électromagnétique et pénétrant dans ladite cavité accélératrice (CA) par un orifice d'entrée (7) dont est munie ladite paroi d'entrée (8), ladite paroi de sortie (12) étant sensiblement perpendiculaire audit axe longitudinal (3) et comportant un orifice de sortie (31) par lequel ledit faisceau sort de ladite cavité accélératrice (CA), caractérisée en ce que au moins la zone centrale (ZC) de la paroi d'entrée (8) est inclinée sur ledit axe longitudinal (3) et s'en écarte dans le sens (2) de propagation dudit faisceau, de manière à former une surface de révolution (10) admettant ledit axe longitudinal (3) comme axe de révolution et constituer par cette surface de révolution (10) une lentille focalisatrice des particules chargées.
2. Cavité accélératrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface de révolution (10) comporte une génératrice constituée d'une droite (11) formant avec l'axe longitudinal (3) un angle (a) inférieur à 90°.
3. Cavité accélératrice selon la revendication 2, caractérisée en ce que la droite (11) constituant la génératrice forme avec l'axe longitudinal (3) un angle (a) de 70°.
4. Cavité accélératrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface de révolution (10) comporte une génératrice constituée par une courbe (20, 21).
EP84400968A 1983-05-20 1984-05-11 Cavité accélératrice autofocalisante de particules chargées Expired EP0127512B1 (fr)

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EP0127512A1 EP0127512A1 (fr) 1984-12-05
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