WO1992022190A1 - Accelerateur d'electrons a cavite coaxiale - Google Patents

Accelerateur d'electrons a cavite coaxiale Download PDF

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WO1992022190A1 PCT/BE1992/000023 BE9200023W WO9222190A1 WO 1992022190 A1 WO1992022190 A1 WO 1992022190A1 BE 9200023 W BE9200023 W BE 9200023W WO 9222190 A1 WO9222190 A1 WO 9222190A1
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electron
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Yves Jongen
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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
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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

Definitions

  • the present invention relates to improvements made to electron accelerators and more particularly to electron accelerators having a coaxial cavity. Description of the prior art
  • Electron accelerators are generally known comprising a resonant cavity supplied by a high frequency field source commonly called an HF generator and a source of electrons capable of injecting them into the cavity. If certain phase and frequency conditions are met, these electrons are accelerated by the electric field during the entire crossing of the cavity. These are generally machines working in pulsed regime and having relatively low beam intensities.
  • This document describes an electron accelerator which is characterized in that the resonant cavity is a coaxial cavity delimited by an external cylindrical conductor and an internal cylindrical conductor having the same axis.
  • the electron beam is injected into the median plane perpendicular to the axis along a first diameter in this cavity.
  • An electron deflector makes it possible to deflect and reinject the beam which has already passed through a first times the cavity, again in the cavity where it undergoes a second acceleration, etc.
  • This device is also called a rhodotron because the electron beam crosses the cavity several times along a path that draws the petals of a flower.
  • This device has several advantages; indeed, its shape is particularly simple and compact.
  • the principle according to which the device operates makes it possible to obtain an intense and continuous beam which was not the case with conventional devices which work in pulsed regime.
  • the device described is self-focusing. This is due to the fact that the magnetic deflectors which have very open dihedral entry faces suitably focus the electron beam. Consequently, it is not necessary to provide additional focusing elements. Finally, the electron beam injected into the median plane of the device is not deflected. Indeed, the beam is not subjected to the magnetic field because the latter is zero in the median plane according to the configuration described in the above-mentioned document.
  • this electron accelerator implies that the cavity is supplied by a high frequency field source. In particular, in the device described, an electric field of a few hundred megahertz is generated by an external high frequency generator. These high frequency generators with a power of around 200 K which can create electric fields of several hundred megahertz are relatively expensive devices.
  • the present invention aims to provide a device which makes it possible to avoid the use of particularly expensive high-frequency generators, while retaining the advantages inherent in the original arrangement of the electron accelerator of the type described in the document.
  • the present invention relates to an electron accelerator comprising:
  • the accelerator being characterized in that it comprises a second source emitting an electron beam, this electron beam being decelerated during its passage through the coaxial cavity making it possible to produce the electromagnetic field necessary for the acceleration of the beam d electrons from the first source.
  • This second electron beam is injected into the coaxial cavity along a plane which is different from the median plane, which makes it possible to deflect the electrons towards the walls of the cavity and to evacuate them from the latter.
  • the second electron source is provided with a device for modulating the intensity of the emitted electrons, in particular a control grid or a regrouper.
  • a device for modulating the intensity of the emitted electrons in particular a control grid or a regrouper.
  • Such devices are well known in devices using electron beams.
  • the intensity of the electron beam is modulated in such a way that the electrons of the second source occur in the cavity when they meet a decelerating radial electric field. In this way the electrons yield their kinetic energy to the electromagnetic field in the cavity and ensure the establishment and maintenance of the electromagnetic field.
  • the energy of the electrons injected by the second source is preferably chosen so that these electrons reach the wall of the cavity with a low but non-zero residual energy. In this way, the energy conversion between the electron beam and the cavity can reach values of 80 to 90%.
  • FIG. 1 shows a sectional view along the compute ⁇ dian plane of an accelerator with coaxial cavity.
  • FIG. 2 shows a half view of a section parallel to the main axis of the coaxial cavity of an electron accelerator according to the present invention. Description of a particular embodiment of the present invention
  • Figure 1 shows a sectional view along the median plane of the coaxial cavity of the electron accelerator according to the present invention.
  • the cavity 5 is delimited by an outer cylindrical conductor 10 and an inner cylindrical conductor 20 of the same axis and two flanges 15 and 25 perpendicular to the axis 30 of the conductors.
  • the electric field E is purely radial, it is maximum in the median plane 40 and decreases on either side of this plane to cancel out on the flanges 15 and 25.
  • the magnetic field M is maximum along the flanges and is canceled in the median plane by changing sign.
  • the main electron beam 1 is injected from a source 100 into the coaxial cavity 5 along the median plane 40 and therefore is not subject to any deviation because the magnetic field M is zero there.
  • the electron beam 1 enters the cavity by an opening 11 along a first diameter of the outer conductor 10; it crosses the inner conductor 20 through two diametrically opposite openings 21 and 22 and leaves the cavity through an opening 12. If certain phase and frequency conditions are satisfied, the main beam 1 will be accelerated all along its path in the cavity coaxial 5.
  • the electric field E should be canceled out when the beam passes through the inner conductor 20 so that the field is accelerating when crossing the first part of the cavity (between the outer conductor 10 and the inner conductor 20) and again accelerator and therefore opposite when crossing the second part of the path, that is to say between the inner conductor 20 and the outer conductor 10.
  • At least one deflector 51 which deflects and reinjects the main electron beam 1 along a second diameter of the external conductor 10. This beam is reintroduced through an opening 13 into the cavity where it undergoes again an acceleration and comes out through the opening 14.
  • the beam is again deflected by a deflector 53 and reinjected according to a third diameter into the cavity where it will undergo a third acceleration, etc.
  • the magnetic deflectors 51, 53, ... advantageously having very open dihedral-shaped entry faces so as to focus the main electron beam 1.
  • FIG. 2 represents a half-view in section parallel to the main axis of the coaxial cavity.
  • the electron accelerator with coaxial cavity comprises a second source 200 provided with a beam intensity modulation device 210, emitting a beam of electrons 2 which will be injected into the cavity 5 when the electric field E is decelerating.
  • a beam intensity modulation device 210 emitting a beam of electrons 2 which will be injected into the cavity 5 when the electric field E is decelerating.
  • this second electron beam 2 is injected into the coaxial cavity 5 along a plane which is different from the median plane 40. It follows that the electrons • will be deflected towards the walls of the cavity which allows evacuation of those -this out of the cavity.
  • the electrons should not be slowed down to a standstill in the cavity itself, because in this case the electrons are again subjected in the opposite direction to the ac ⁇ tion of the electromagnetic field and therefore re-accelerated.
  • the rate of conversion of the kinetic energy of electrons into electromagnetic energy is limited to values of 80 to 90%.
  • This procedure advantageously makes it possible not to have recourse to the use of external high frequency generators which are particularly expensive devices. In fact, they represent around 30% of the total cost of an electron accelerator.
  • the structure of an accelerator according to the present invention is simplified, which significantly increases the reliability of the electron accelerator.

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Abstract

Accélérateur d'électrons comprenant: une première source (100) émettant un faisceau d'électrons qu'il convient d'accélérer, une cavité (5) coaxiale délimitée par un conducteur cylindrique extérieur (10) et un conducteur cylindrique intérieur (20) de même axe (30) réunis par deux flasques (15 et 25), le faisceau d'électrons (1) étant injecté dans le plan médian (40) perpendiculaire à l'axe (30) selon un premier diamètre du conducteur extérieur (10), l'accélérateur étant caractérisé en ce qu'il comporte une seconde source (200) émettant un faisceau d'électrons (2), ce faisceau d'électrons (2) étant décéléré lors de son passage dans la cavité coaxiale (5) permettant de produire le champ électromagnétique nécessaire à l'accélération du faisceau d'électrons (1) issu de la première source (100).

Description

ACCELERATEUR D ' ELECTRONS A CAVITE COAXIALE.
Objet de l'invention
La présente invention se rapporte à des perfectionnements apportés aux accélérateurs d'électrons et plus particulièrement aux accélérateurs d'électrons présentant une cavité coaxiale. Description de 1'art antérieur
On connaît de manière générale des accélérateurs d'électrons comportant une cavité résonnante alimentée par une source de champ haute fréquence appelée communément générateur HF et une source d'électrons capable d'injecter ceux-ci dans la cavité. Si certaines conditions de phase et de fréquence sont respectées, ces électrons sont accélérés par le champ électrique pendant toute la traversée de la cavité. Ce sont en général des machines travaillant en régime puisé et présentant des intensités de faisceau relati¬ vement faibles.
Dans le document WO-A-88/09597, (Commissariat à 1'Energie Atomique), on a proposé un accélérateur d*électrons à recirculation de conception nouvelle.
Ce document décrit un accélérateur d'électrons qui est caractérisé par le fait que la cavité résonnante est une cavité coaxiale délimitée par un conducteur cylindrique extérieur et un conducteur cylindrique intérieur ayant le même axe. Le faisceau d'électrons est injecté dans le plan médian perpendiculaire à l'axe selon un premier diamètre dans cette cavité. Un déflecteur d'électrons permet de défléchir et de réinjecter le faisceau qui a déjà traversé une première fois la cavité, à nouveau dans la cavité où il subit une seconde accélération, etc..
Ce dispositif est également appelé rhodotron du fait que le faisceau d'électrons traverse plusieurs fois la cavité selon une trajectoire qui dessine les pétales d'une fleur.
Ce dispositif présente plusieurs avantages; en effet, sa forme est particulièrement simple et compacte. En outre, le principe selon lequel fonctionne le dispositif permet d'obtenir un faisceau intense et continu ce qui n'était pas le cas des dispositifs classiques qui travaillent en régime puisé.
D'autre part, le dispositif décrit est auto- focalisant. Ceci est dû au fait que les déflecteurs magnéti- ques qui présentent des faces d'entrée en forme de dièdres très ouverts assurent de manière appropriée la focalisation du faisceau d'électrons. Par conséquent, il n'est pas néces¬ saire de prévoir des éléments de focalisation supplémentaires. Enfin le faisceau d'électrons injecté dans le plan médian du dispositif n'est pas dévié. En effet, le faisceau n'est pas soumis au champ magnétique car celui-ci est nul dans le plan médian selon la configuration décrite dans le document susmentionné. Cependant, cet accélérateur d'électrons implique que la cavité soit alimentée par une source de champ haute fréquence. En particulier, dans le dispositif décrit, un champ électrique de quelques centaines de Mégahertz est généré par un générateur haute fréquence extérieur. Ces générateurs haute fréquence d'une puissance d'environ 200 K qui peuvent créer des champs électriques de plusieurs centaines de Mégahertz sont des dispositifs relati¬ vement coûteux. Ils utilisent essentiellement des tubes électroniques du type triode, tétrode ou pentode et utilisent des techniques de pointe et donc onéreuses telles que la soudure métal/céramique, l'utilisation de grilles en matériau réfractaire ou l'utilisation de filaments en tungstène thorié. Le document US-A-4763079 décrit un procédé de décélération d'un f isceau de particules où 1'énergie pro¬ duite par la décélération des particules est stockée afin d'être utilisée pour l'accélération d'électrons dans un autre accélérateur.
But de l'invention
La présente invention vise à fournir un dispositif qui permet d'éviter l'utilisation de générateurs haute fré¬ quence particulièrement onéreux, tout en conservant les avantages propres à la disposition originale de l'accéléra¬ teur d'électrons du type décrit dans le document
Figure imgf000005_0001
Principaux éléments caractéristiques
La présente invention concerne un accélérateur d'électrons comprenant:
- une première source émettant un faisceau d'électrons qu'il convient d'accélérer,
- une cavité coaxiale délimitée par un conducteur cylindrique extérieur et un conducteur cylindrique intérieur de même axe, le faisceau d'électrons étant injecté dans le plan médian perpendiculaire à l'axe selon un premier diamètre du conducteur extérieur,
1'accélérateur étant caractérisé en ce qu'il comporte une seconde source émettant un faisceau d'électrons, ce faisceau d'électrons étant décéléré lors de son passage dans la cavité coaxiale permettant de produire le champ électromagnétique nécessaire à l'accélération du faisceau d'électrons issu de la première source.
Ce second faisceau d'électrons est injecté dans la cavité coaxiale selon un plan qui est différent du plan médian ce qui permet de défléchir les électrons vers les parois de la cavité et de les évacuer hors de celle-ci.
La seconde source d'électrons est munie d'un dispo¬ sitif permettant de moduler 1'intensité des électrons émis, notamment une grille de commande ou un regroupeur. De tels dispositifs sont bien connus dans les appareils utilisant les faisceaux d'électrons. L'intensité du faisceau d'électrons est modulée de façon telle que les électrons de la seconde source se présentent dans la cavité au moment où ils rencon¬ trent un champ électrique radial décélérateur. De cette manière les électrons cèdent leur énergie cinétique au champ électromagnétique dans la cavité et assurent l'établissement et le maintien du champ électromagnétique. L'énergie des électrons injectés par la seconde source est de préférence choisie de manière que ces électrons atteignent la paroi de la cavité avec une énergie résiduelle faible mais non nulle. De cette façon, la conversion d'énergie entre le faisceau d'électrons et la cavité peut atteindre des valeurs de 80 à 90%.
Brève description des figures
- La figure 1 représente une vue en coupe selon le plan mé¬ dian d'un accélérateur à cavité coaxiale. - La figure 2 représente une demi-vue d'une coupe parallèle à l'axe principal de la cavité coaxiale d'un accélérateur à électrons selon la présente invention. Description d'une forme d'exécution particulière de la pré- sente invention
La figure 1 représente une vue en coupe selon le plan médian de la cavité coaxiale de l'accélérateur d'élec¬ trons selon la présente invention.
La cavité 5 est délimitée par un conducteur cylin- drique extérieur 10 et un conducteur cylindrique intérieur 20 de même axe et deux flasques 15 et 25 perpendiculaires à l'axe 30 des conducteurs.
Selon cette configuration, le champ électrique E est purement radial, il est maximum dans le plan médian 40 et décroît de part et d'autre de ce plan pour s'annuler sur les flasques 15 et 25. De même, le champ magnétique M est maximum le long des flasques et s'annule dans le plan médian en changeant de signe.
Le faisceau principal d'électrons 1 est injecté à partir d'une source 100 dans la cavité coaxiale 5 selon le plan médian 40 et de ce fait, n'est soumis à aucune déviation car le champ magnétique M y est nul.
Le faisceau d'électrons 1 pénètre dans la cavité par une ouverture 11 selon un premier diamètre du conducteur extérieur 10; il traverse le conducteur intérieur 20 par deux ouvertures 21 et 22 diamétralement opposées et sort de la cavité par une ouverture 12. Si certaines conditions de phase et de fréquence sont satisfaites, le faisceau principal 1 sera accéléré tout le long de son parcours dans la cavité coaxiale 5.
En particulier, il convient que le champ électrique E s'annule lorsque le faisceau traverse le conducteur inté- rieur 20 de manière à ce que le champ soit accélérateur lors de la traversée de la première partie de la cavité (entre le conducteur extérieur 10 et le conducteur intérieur 20) et à nouveau accélérateur et donc opposé lors de la traversée de la seconde partie de la trajectoire c'est-à-dire entre le conducteur intérieur 20 et le conducteur extérieur 10.
A l'extérieur de la cavité coaxiale 5 est disposé au moins un déflecteur 51 qui défléchit et réinjecte selon un second diamètre du conducteur extérieur 10 le faisceau principal d'électrons 1. Ce faisceau est réintroduit par une ouverture 13 dans la cavité où il subit à nouveau une accélé¬ ration et en ressort par 1'ouverture 14.
A sa sortie, le faisceau est à nouveau défléchi par un déflecteur 53 et réinjecté selon un troisième diamètre dans la cavité où il subira une troisième accélération, etc. Les déflecteurs magnétiques 51, 53,... présentant de manière avantageuse des faces d'entrée en forme de dièdre très ouvert de manière à assurer la focalisation du faisceau principal d'électrons 1.
La figure 2 représente une demi-vue en coupe paral- lèle à l'axe principal de la cavité coaxiale.
Selon la caractéristique principale de la présente invention, l'accélérateur d'électrons à cavité coaxiale comporte une seconde source 200 munie d'un dispositif de modulation 210 d'intensité de faisceau, émettant un faisceau d'électrons 2 qui sera injecté dans la cavité 5 au moment où le champ électrique E est décélérateur. Ceci permet de géné¬ rer le champ électromagnétique nécessaire à l'accélération du premier faisceau d'électrons 1. La perte d'énergie cinétique de l'électron qui est décéléré permet de créer un champ électromagnétique de haute fréquence dans la cavité coaxiale 5.
De préférence, ce second faisceau d'électrons 2 est injecté dans la cavité coaxiale 5 selon un plan qui est différent du plan médian 40. Il en résulte que les électrons • seront défléchis vers les parois de la cavité ce qui permet une évacuation de ceux-ci hors de la cavité.
Il convient que les électrons ne soient pas ralen- tis jusqu'à l'arrêt dans la cavité elle-même, car dans ce cas les électrons sont à nouveau soumis au sens inverse à l'ac¬ tion du champ électromagnétique et de ce fait réaccélérés.
Par conséquent, il est nécessaire que les électrons issus du faisceau secondaire 2 possèdent encore une certaine énergie cinétique résiduelle de manière à atteindre les parois de la cavité 5.
De ce fait, le taux de conversion de l'énergie cinétique des électrons en énergie électromagnétique est limité à des valeurs de 80 à 90%. Cette manière de procéder permet avantageusement de ne pas avoir recours à l'utilisation de générateurs haute fréquence extérieurs qui sont des dispositifs particulière¬ ment onéreux. En effet, ils représentent environ 30% du coût total d'un accélérateur d'électrons. En outre, la structure, d'un accélérateur selon la présente invention est simplifiée ce qui augmente de manière non négligeable la fiabilité de l'accélérateur d'électrons.

Claims

REVENDICATIONS
1. Accélérateur d ' électrons comprenant :
- une première source (100) émettant un faisceau d'électrons qu'il convient d'accélérer, - une cavité (5) coaxiale délimitée par un conducteur cylin¬ drique extérieur (10) et un conducteur cylindrique inté¬ rieur (20) de même axe (30) réunis par deux flasques (15 et 25), le faisceau d'électrons (1) étant injecté dans le plan médian (40) perpendiculaire à l'axe (30) selon un pre- mier diamètre du conducteur extérieur (10), l'accélérateur étant caractérisé en ce qu'il comporte une seconde source (200) émettant un faisceau d'électrons (2), ce faisceau d'électrons (2) étant décéléré lors de son pas¬ sage dans la cavité coaxiale (5) permettant de produire le champ électromagnétique nécessaire à l'accélération du fais¬ ceau d'électrons (1) issu de la première source (100).
2. Accélérateur d'électrons selon la revendication 1 caractérisé en ce que le second faisceau d'électrons (2) est injecté dans la cavité coaxiale (5) selon un plan qui est différent du plan médian (40), permettant ainsi de défléchir les électrons vers les parois de la cavité (5).
3. Accélérateur d'électrons selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la seconde source (200) est munie d'un dispositif de modulation (210) d'intensité du faisceau d'électrons (2).
4. Accélérateur d'électrons selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il com¬ porte au moins un déflecteur d'électrons (51, 53) placé à l'extérieur de la cavité, qui reçoit le faisceau ayant tra- versé la cavité (5), le défléchit et le réinjecte dans la cavité (5) toujours dans le plan médian (40) selon un second diamètre du conducteur extérieur (10).
PCT/BE1992/000023 1991-05-29 1992-05-27 Accelerateur d'electrons a cavite coaxiale WO1992022190A1 (fr)

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