Séparateur magnétique d'électrons de différentes énergies dans le sein d'un faisceau électronique On sait que les accélérateurs d'électrons linéaires fournissent à leur sortie un faisceau électronique contenant des électrons de différentes énergies, le spectre énergétique étant de l'ordre de 5 à 101% du niveau d'énergie moyen.
Or, on a souvent besoin, dans la technique, de séparer ces électrons suivant leur énergie, soit pour la mesure de leurs quantités relatives dans le but d'analyse quantitative du spectre, soit pour l'utilisa tion d'un niveau d'énergie prédéterminé ou d'une partie du spectre définie par rapport à un tel niveau, soit enfin pour soumettre les électrons à un traite ment tendant à égaliser leur niveau d'énergie afin d'obtenir en fin de compte un faisceau mono- énergétique.
Etant donné que les électrons sortis d'un accé lérateur linéaire se meuvent pratiquement à la vitesse de la lumière, il n'est guère possible d'effectuer la séparation sur la base de différence de vitesse.
La présente invention vise un séparateur d'élec trons effectuant la séparation sur la base de diffé rence de longueur de parcours effectué par les élec trons de différentes énergies entre la sortie de l'accélérateur et un point déterminé dans l'espace.
Suivant l'invention, cette différence <B>dé</B> longueur est créée en faisant passer les électrons par un ensemble de champs magnétiques disposés dans l'espace avec des caractéristiques prédéterminées, l'ensemble de ces champs constituant un séparateur magnétique ayant la propriété d'être strictement afocal dans le plan perpendiculaire à celui dans lequel la longueur de trajectoires électroniques est influencée,
et de compenser dans ce dernier plan la focalisation du faisceau par une défocalisation telle que le faisceau à la sortie du séparateur soit de même forme géométrique que le faisceau amené à l'entrée.
Une première variante du séparateur conforme à l'invention comprend trois sources de champ magné tique d'intensité B, cette intensité étant la même pour les sources extrêmes, et la même ou non pour la source intermédiaire. Ces sources agissent succes- sivement sur le faisceau sorti de l'accélérateur trans versalement à sa trajectoire, les lignes de force de ces trois champs étant parallèles entre elles, mais celles du champ intermédiaire étant opposées aux lignes de force des champs extrêmes.
Chacun des trois champs exerce son action sur le faisceau dans les limites d'un secteur ayant sen siblement le même angle d'ouverture a et sensible ment le même rayon R pour les sources extrêmes, et également les mêmes valeurs ou non de a et R pour la source intermédiaire. Le rayon R est défini comme rayon de courbure de la trajectoire des électrons de niveau moyen d'énergie E sous l'action du champ magnétique B.
Les valeurs de R et B sont liées par la relation
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où E est l'énergie des électrons en MeV, B en Gauss, R en centimètres.
Les sources de champs conformes aux caracté ristiques ci-dessus peuvent être matérialisées par des pièces polaires de forme sectorale.
Dans. le cas où le faisceau d'entrée est cylindri que, et en supposant pour la source intermédiaire les mêmes valeurs de a, R et B que pour les sources extrêmes, on dispose ces. sources dans l'espace de la façon suivante, donnée à titre indicatif -et en pre mière approximation, étant entendu que la position exacte pourra être ajustée expérimentalement en se guidant par le résultat à atteindre.
La première source est placée de façon telle que le faisceau sorti de l'accélérateur arrive à l'incidence perpendiculaire sur le rayon d'entrée du premier secteur d'action de champ. Cette condition détermine l'angle 2 - a/2 entre la direction d'incidence du fais ceau et le plan de symétrie du premier secteur. L'axe du faisceau arrive à l'incidence à la distance R du centre du cercle dans lequel est découpé le premier secteur.
Le plan de symétrie du deuxième secteur est parallèle à celui du premier. Il passe par le point où les électrons de même énergie, égale à l'énergie moyenne, sortis du premier secteur se seraient foca- lisés en l'absence du deuxième secteur.
Cette condi tion donne numériquement la distance entre les plans de symétrie égale à
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Le troisième secteur est disposé de façon à for mer l'image du premier par rapport au plan de symétrie du second. La distance entre son plan de symétrie et celui du deuxième secteur est donc éga lement
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et les centres des. cercles corres pondants sont situés sur une même droite perpen- diculaire au plan de symétrie.
Enfin, le centre du cercle correspondant au deuxième secteur est situé à la distance
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de cette dernière droite. Il se trouve naturellement dans le plan de symétrie du deuxième secteur et dans le plan commun de taus les secteurs.
Suivant une réalisation préférée, l'angle a sera choisi égal à 410 30' environ (correspondant à coi a = 0,75).
Une seconde variante du séparateur conforme à l'invention comprend quatre aimants, disposés et dimensionnés d'une façon quelque peu différente.
Selon une variante, le faisceau sortant du sépara teur et composé d'un chapelet de paquets d'électrons ayant successivement des énergies différentes, est soumis dans un second accélérateur linéaire, du type à ondes progressives, à un champ agissant en accé lérateur sur certains paquets et en retardateur sur d'autres, de façon que les énergies de tous les paquets s'égalisent à un même niveau moyen,
et que le fais ceau délivré par cet accélérateur soit monoénergé- tique.
Le dessin représente, à titre d'exemple, deux for mes d'exécution La fig. 1 est une vue en plan d'une première forme d'exécution de l'installation, comportant un séparateur magnétique à trois aimants disposé sur la trajectoire du faisceau entre un accélérateur linéaire et un appareil d'utilisation.
La fig. 2 est une coupe verticale des pièces polaires du séparateur, transversalement au faisceau. La fig. 3 est une vue analogue à la fig. 1 d'une installation, deuxième forme d'exécution, à quatre aimants.
La fig. 4 est un schéma de correspondance entre les champs et les paquets d'électrons dans l'accélé rateur de sortie.
Sur la fig. 1, on a représenté schématiquement en 1 un accélérateur linéaire à ondes progressives, dont la structure est bien connue et n'a pas besoin d'être décrite en détail. L'accélérateur est excité par une source haute fréquence 2, qui est par exemple un amplificateur excité par un oscillateur pilote 3.
A la sortie de l'accélérateur est raccordé l'espace intérieur d'une conduite évacuée 4, ayant une forme ondulée, composée alternativement de tronçons linéaires et d'arcs de cercle. Les parties en arcs de cercles sont disposées dans trois champs magnétiques transversaux, d'intensité B, par exemple la même pour les trois champs, établis respectivement par les pièces polaires 5, 6, 7, de forme sectorale, chaque référence désignant une paire de pièces polaires superposées,
montrées en coupe verticale sur la fig. 2 (donnant par exemple la coupe des pièces 5 reliées par un circuit magnétique 21). Cette forme détermine l'action de chaque champ magnétique dans les limites d'un secteur ayant un angle d'ouverture a, par exemple le même pour les trois secteurs. Les sec teurs consécutifs sont désignés par 8, 9, 10 ; les cercles correspondants ont leur centre en 11, 12, 13 ; l'axe 14 du faisceau sorti de l'accélérateur et supposé cylindrique est incurvé autour de ces centres avec un rayon R, qui est le même dans les trois cas puisque B est le même.
Les valeurs de B et R sont choisies d'après la relation (1) en fonction de l'éner gie E des électrons qui se trouvent dans l'axe du faisceau. Par exemple, pour E=40 MeV, on peut prendre B = 3000 Gauss et R = 45 cm.
Dans la disposition représentée, les centres 11 et 13 sont à gauche et le centre 12 à droite par rapport à l'observateur se déplaçant avec les électrons le long du faisceau. Pour obtenir dans ces conditions l'incur vation de la trajectoire, il faut que les champs dans les secteurs 8 et 10 soient opposés à celui dans le secteur 9, et qu'ils soient dirigés vers l'observateur dans les deux premiers cas, et de l'observateur vers le plan du papier dans le troisième. Dans les paires de pièces 5 et 7, c'est donc le pôle Sud qui est au-dessus du pôle Nord, tandis que c'est le contraire pour la paire de pièces 6.
Ce fait a été symbolisé par les petits cercles B dans chacun des secteurs, indiquant la direction du champ de façon conven tionnelle.
La paire de pièces 5 est disposée par rapport à l'accélérateur de façon que l'axe du faisceau 14 soit perpendiculaire au rayon d'entrée du secteur 8. Il en résulte que le plan de symétrie 15 des pièces 5 est décalé de a/2 sur ce rayon d'entrée et de /2-a/2 sur la direction initiale de l'axe 14.
La paire de pièces 6 est disposée de façon que son plan de symétrie 16 soit parallèle au plan 15 et distant de celui-ci de
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et que le centre 12 soit distant de
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de la normale abaissée du centre 11 sur le plan 16.
Enfin, la paire de pièces 7 est disposée comme image de la paire 5 par rapport au plan 16, c'est- à-dire que son plan de symétrie 17 est parallèle et distant de
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du plan 16, et que les centres 11 et 13 sont situés sur une même perpendiculaire aux plans 15, 16, 17.
A la sortie du secteur 10, la conduite 4 continue par un tronçon rectiligne qui est raccordé à l'entrée d'un appareil d'utilisation, par exemple, d'un accélé rateur linéaire 18, excité par une source 19, qui peut être commandée par le même oscillateur pilote 3 que la source 2.
Le dispositif fonctionne comme suit Pour plus de simplicité, on se limitera à la consi dération d'un filet d'électrons accélérés groupés en paquets, occupant l'axe 14 du faisceau. Chaque paquet est constitué d'un mélange d'électrons d'éner gies différentes, s'échelonnant entre E -f- AEm#,X et E - AEm,t., . Ces paquets entrent en A dans le secteur 8, où leurs trajectoires sont incurvées avec des rayons de courbure différents, en raison de leur différence d'énergie.
On voit, en effet, de la relation (1) que le rayon de courbure est directement proportionnel à l'énergie. Ainsi, les trajectoires des électrons ayant la plus forte énergie E -I- AEm, Y s'incurveront avec un plus fort rayon de courbure suivant l'arc AC, et celles des électrons ayant la plus faible énergie E - AEma, s'incurveront avec un plus faible rayon de courbure suivant l'arc AD. Les électrons d'énergies intermédiaires suivent les filets intermédiaires entre ces deux trajectoires, et ceux d'énergie moyenne E suivent l'arc de cercle de rayon R.
On voit ainsi que le champ magnétique du pre mier secteur 8 a transformé le filet 14 en un faisceau divergent de filets d'électrons dont chacun corres pond à une valeur d'énergie bien déterminée, ce faisceau sortant du secteur 8 entre C et D.
On sait que le système de champ magnétique formé dans le secteur B se comporte en lentille magnétique, de sorte que s'il n'y avait pas de pièces polaires 6 et si tous les électrons du faisceau, tant dans l'axe 14 qu'en dehors de cet axe, avaient la même énergie, ces électrons se focaliseraient dans le plan du secteur 8 en un point 20 situé sur le pro longement du tronçon rectiligne de l'axe 14 après sa sortie du secteur 8.
Le calcul montre que la distance entre le point 20 et le plan 15 est -
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, de sorte que le plan 16 est disposé pour passer précisément par ce point de focalisation. Grâce à cette disposition, le système magnétique formé dans le secteur 9 présente la propriété que les filets particuliers du faisceau, qui divergent linéai rement en partant de CD, et qui entrent dans le secteur 9 entre G et F, décrivent à l'intérieur dé ce secteur des arcs de cercle symétriques par rapport au plan 16.
C'est ainsi que les électrons dont l'éner gie est la plus forte, suivent l'arc de cercle FH, et ceux dont l'énergie est la plus faible sont déviés suivant l'arc de cercle GI.
On remarquera que l'arc GI est plus long que FH, d'une part, parce que GI se trouve à l'extérieur de FH par rapport au centre 12, d'autre part, parce que GI est décrit avec un rayon de courbure plus faible que FH, en raison de l'énergie plus faible des électrons correspondants.
Le faisceau se trouve donc à la sortie du secteur 9 entre les points H et I respectivement symétriques de F et G, mais il .en sort comme faisceau conver- gent. Le champ magnétique du deuxième secteur 9 a ainsi transformé le faisceau divergent en con vergent.
En raison de la symétrie par rapport au plan 16, les trajectoires entre les secteurs 9 et 10 sont symé triques de celles entre 8 et 9, si bien que 1e faisceau entre dans le secteur 10 entre les points J et K symé triques de C et D, c'est-à-dire que les. angles d'inci dence en J et K sont respectivement égaux aux angles de sortie en C et D, avec les mêmes écarts respectifs par rapport au filet axial.
En raison de cette symétrie d'incidence et de la disposition symétrique des pièces 7 par rapport à 5, les trajectoires dans le secteur 10 sont respectivement symétriques de celles dans le secteur 8. Il en résulte que les différents filets convergents entrés dans le secteur 10 entre J et K sont rassemblés à la sortie en L en un filet, unique, perpendiculaire à la face de sortie des pièces 7.
Cependant, la trajectoire ADGIKL est plus lon gue que ACFHJL, en raison notamment de la lon gueur plus grande de l'arc GI. Les électrons de faible énergie se présentent donc en L en retard sur les électrons de grande énergie.
Il en résulte que le filet sortant en L se présente sous la forme de chapelets de paquets d'électrons séparés, les paquets successifs ayant les énergies successivement décroissantes. Cha que chapelet de cette nature correspond à un paquet d'électrons mélangés de différentes énergies dans le filet axial avant l'entrée en A.
On calcule que la différence de longueur entre la trajectoire de A à L des électrons dotés d'un écart d'énergie AE par rapport au niveau moyen E, et la trajectoire axiale suivie par les électrons d'éner gie E, s'exprime par
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(II) Cette fonction de a est maximum pour cos a = 0,75, soit a = 41o 30' environ. La séparation entre les paquets individuels d'un chapelet est alors maximum, ce qui justifie le choix de cette valeur de a pour le mode préféré de réali sation.
Par ailleurs, a ne doit pas dépasser 60 , angle pour lequel la distance entre les faces CD et FG deviendrait nulle.
Le groupement analogue en chapelets se produit également pour les électrons qui se trouvent en dehors de l'axe 14. On remarque d'ailleurs que la focalisation dans le plan des secteurs 8-10, obtenue pour les électrons de même énergie avec un foyer dans le plan 16, est annihilée par la défocalisation symétrique obtenue sur les parties de trajectoires à droite du plan 16. Par ailleurs, le système optique est complètement afocal dans le plan perpendiculaire au plan de la fig. 1.
A la sortie en L, le faisceau reprend donc la même forme qu'avant l'entrée en A, c'est-à-dire qu'il devient cylindrique puisque le fais ceau a été supposé cylindrique à l'entrée.
La fig. 3 vise une variante du système précédent présentant un certain nombre d'avantages sur la réa lisation de la fig. 1, quoiqu'utilisant un nombre d'aimants plus élevé.
Comme dans la fig. 1, un accélérateur d'électrons 1 injecte un faisceau ayant pour axe la ligne sinueuse 14 dans un guide 4, composé alternativement de tronçons linéaires et d'arcs, de cercle. Le système utilise quatre aimants 27, 28, 29, 30, disposés symé triquement par rapport au plan 16.
Les dimensions géométriques des aimants sont identiques et leur forme est rectangulaire ;ils fournissent tous la même intensité de champ, mais les polarités des deux aimants de milieu 28, 29, sont inversées par rapport aux aimants extrêmes 27, 30, comme il est indiqué respectivement par les croix et points encerclés B.
Les parties en arc de cercle du guide 4 sont dispo sées dans les champs de ces aimants, la face d'entrée de l'aimant 27 étant inclinée sous un angle prédé terminé a sur la normale à la direction d'incidence de l'axe 14 du faisceau. En désignant par R le rayon de courbure de la trajectoire des électrons de niveau d'énergie moyen sous l'action du champ de chacun des aimants, on donne alors aux aimants une lar geur R sir a.
Le calcul montre que pour que le système soit afocal dans le plan perpendiculaire à la figure, il faut que la distance entre la face de sortie de l'aimant 27 et la face d'entrée de l'aimant 28, ces faces étant parallèles, soit égale à
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La même condition s'applique en raison de symétrie aux aimants 29 et 30.
La distance entre les aimants 28 et 29 n'est pas critique et est déterminée princi palement par le compromis antre l'encombrement du système et la non-interférence des champs de débor dement des aimants voisins. Les parties en arc de cercle du guide 4 sont limitées par l'angle a, et les tronçons du guide entre les aimants 28 et 29, avant l'entrée de l'aimant 27 et auprès la sortie de l'aimant 30 sont parallèles entre eux. Ces deux derniers tron çons sont alignés, comme il résulte de la symétrie du système.
A droite on a figuré schématiquement un appareil d'utilisation 18, comme dans la fig. 1.
En désignant par <I>Al</I> la séparation réalisée entre les paquets individuels d'un chapelet de paquets formé dans le faisceau d'électrons, on trouve pour ce système la relation suivante, correspondant à la relation (II) pour le système à trois aimants
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où E et DE ont la même signification que précédem ment, à savoir le niveau moyen d'énergie et l'écart par rapport à ce niveau respectivement.
Cette fonction est maximum pour a = 30,1 40' environ, et a ne devra pas dépasser 49#, 20', valeur pour laquelle la distance entre les aimants devient nulle.
Pour A1 désiré et a choisi, on en tire R et ensuite on détermine le champ B par la relation (I) indi quée ci-dessus.
Le fonctionnement de ce système est le même que celui du système de la fig. 1, à la description duquel on se réfère expressément. Le calcul d'aberra tion verticale pour les électrons incidents parallèles à l'axe mais ayant des écarts d'énergie par rapport au niveau moyen, montre que cette aberration est très acceptable.
Par rapport au système à trois aimants, la pré sente variante présente les avantages que les aimants ne sont plus rectoraux mais rectangulaires donc plus faciles à usiner; que le faisceau émergeant du sépa rateur se trouve en alignement avec le faisceau inci dent ; que chaque aimant est rigoureusement afocal dans le plan de courbure du faisceau, quelles que soient les inclinaisons ou énergies du faisceau inci dent ;
qu'un ensemble de deux aimants de chaque côté du plan de symétrie est rigoureusement afocal en énergie, pour toutes les incidences ou énergies ; enfin que le réglage et le contrôle des propriétés est possible pour chacun des aimants pris séparément et pour chacun des ensembles d'un côté du plan de symétrie.
Ainsi, malgré le nombre d'aimants plus élevé, le système conforme à la fi-. 3 pourra paraître pré férable à l'utilisateur.
Si le séparateur suivant la fig. 1 ou la fig. 3 est suivi d'un accélérateur à ondes progressives 18, on pourra régler l'intensité et la phase du champ d'onde progressive, -en agissant sur les moyens de réglage convenables prévus dans la source d'excitation 19.
A la suite de ce réglage, cette onde, qui se propage en synchronisme avec le faisceau, sera avec lui en relation de phase telle que les paquets ayant des énergies de plus en plus faibles (en retard sur le paquet d'électrons d'énergie moyenne E) soient sou mis à des champs accélérateurs supérieurs à celui qui agit sur le paquet précédent et de plus en plus forts, et inversement que les paquets ayant des éner gies de plus en plus fortes (en avance sur le paquet d'énergie E) soient soumis à des champs moins forts ou de sens contraire du champ agissant sur le paquet à énergie moyenne.
Cette relation est représentée sur la fig. 4, où on a figuré en 24 les paquets d'élec trons d'un chapelet en mouvement avec indication des énergies correspondantes, et en 25 des intensités de champs positifs ou négatifs agissant sur les paquets respectifs en regard et appartenant à une onde 26 qui se propage en synchronisme avec le chapelet. A titre d'exemple, le paquet d'énergie moyenne E a été mis sous l'action d'un petit champ positif d'ordonnée 25'.
En réglant convenablement l'intensité du champ, on peut réaliser que chaque énergie R AE" reçoive un surcroit négatif ou posi tif E' + AE", où E' est l'énergie due à l'action du champ 25', de sorte qu'à la sortie de l'accélérateur 18 tous les électrons possèdent l'énergie E -i- E', c'est-à-dire que le faisceau est monoénergétique.
Il est entendu que la position des pièces polaires du séparateur par rapport à la conduite 4 devra pouvoir subir des réajustements expérimentaux en partant de la disposition précise qui a été indiquée. A cet effet, les aimants pourront être munis de tous moyens connus dans l'art, par exemple, être montés sur chariots, avoir des faces orientables du côté d'in cidence ou de sortie du faisceau, etc.
Dans le cas où le faisceau d'entrée n'est pas cylindrique, on peut toujours obtenir à la sortie un faisceau ayant la même forme, moyennant des modi fications de dimensionnement et de positionnement indiqué accessibles à un calculateur.