EP0035445A2 - Dispositif accélérateur de particules chargées fonctionnant en ondes métriques - Google Patents

Dispositif accélérateur de particules chargées fonctionnant en ondes métriques Download PDF

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EP0035445A2
EP0035445A2 EP81400295A EP81400295A EP0035445A2 EP 0035445 A2 EP0035445 A2 EP 0035445A2 EP 81400295 A EP81400295 A EP 81400295A EP 81400295 A EP81400295 A EP 81400295A EP 0035445 A2 EP0035445 A2 EP 0035445A2
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EP
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triode
grid
accelerator
accelerator device
cathode
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CGR MEV SA
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    • 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
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—HANDLING OF PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K5/00—Irradiation devices
    • G21K5/04—Irradiation devices with beam-forming means

Definitions

  • the value of 10 MeV is a limit value imposed for the energy of the electrons in order to avoid any risk of creation of radioactive products in the irradiated elements.
  • irradiation devices can use accelerators of the Van de Graff type, or Grenacher column, making it possible to reach significant average powers, but are generally limited to energies of 2 to 3 MeV because of the difficulties in holding in insulation voltage.
  • the present invention relates to a charged particle accelerator device operating in VHF and can be advantageously used in such irradiation devices.
  • a charged particle accelerator device comprising a source of particles, a linear accelerating structure formed of a succession of resonant accelerating cavities, an electromagnetic wave generator capable of emitting a signal intended to be injected into one at less of these resonant cavities, means for applying a pulsed high voltage to the source of particles, means for focusing the beam and means for scanning a target by the beam of accelerated particles, is characterized in that the generator d electromagnetic wave comprises a thermionic valve provided with a cathode, an anode and at least one grid, in that at least one of the resonant cavities of the accelerating structure is electromagnetically coupled to the grid-anode space of the valve.
  • FIG. 1 represents an exemplary embodiment of a linear accelerating SA structure according to the invention.
  • This structure S A of bi-periodic type, and intended to operate in VHF, comprises a series of accelerating cavities C 1 , C 2 , C 3 ... cylindrical, two successive accelerating cavities C 1 , C 2 or C 2 , C 3 ... being electromagnetically coupled to each other by means of coupling holes t12, t 23 ... respectively.
  • the accelerating structure SA is produced by means of a succession of cylindrical tubes T 1 , T 2 , T3 ... metal of axis XX, in copper for example, placed end to end and having at their ends shoulders 1, 2 and 3, 4 ... for centering allowing easy mounting of the SA structure.
  • a succession of cylindrical tubes T 1 , T 2 , T3 ... metal of axis XX in copper for example, placed end to end and having at their ends shoulders 1, 2 and 3, 4 ... for centering allowing easy mounting of the SA structure.
  • circular metal plates P 12 ' P 23 are placed, delimiting the accelerating cavities C 1 , C 2 , C 3 ... longitudinally.
  • On each of the plates P 12 'P 23 ... which are provided with a central orifice O 12 ' O 23 ...
  • the shape of the element M is such that it has on its face opposite the plate P 12 , or P 23 ... on which it is fixed, an annular housing L in which is placed a magnetic coil m 1 or m 2 ... for focusing the beam of charged particles.
  • a radial channel (not visible in the figure), formed in the plates P 12 , P 23 ' allows the passage of the supply wires of the coils m 1 , m 2 .
  • the element M is fixed to the plate P 12 by means of a series of screws y, the head of which is embedded in this plate P 12 ' and l the element N is fixed to the plate P 12 , facing the element M, by means of a series of screws V placed obliquely with respect to the plate P12.
  • This exemplary embodiment of a linear accelerating SA structure is not limiting.
  • At least one of the accelerating cavities of the accelerating structure is electromagnetically coupled to an electromagnetic wave generator which, in an exemplary embodiment of the accelerator device according to the invention, is an oscillating triode operating in VHF.
  • FIG. 2 shows an electromagnetic coupling system of this triode G and of the accelerating structure SA according to the invention, as shown in FIG. 1.
  • This triode G comprises a cathode 100, a grid 101 and an anode 102.
  • the grid-anode space 101-102 is associated with a coaxial line 103 which is electromagnetically coupled to the accelerating cavity C 1 of the structure SA accelerator by means of a coupling loop B I which plunges into this cavity C 1 .
  • the cathode-grid space 100-101 is associated with a coaxial line 104 capacitively coupled to the coaxial line 103 by means of a radial plunger D, the insertion of which into the coaxial line 104 is adjustable.
  • Movable annular pistons P 103 ′ p 104 without electrical contact, placed respectively in the coaxial lines 103 and 104 allow the length of these coaxial lines 103 and 104 to be adjusted properly.
  • the triode G oscillates in the mode, at the resonant frequency f of the cavities C 1 , C 2 ...
  • the coaxial line 103 associated with the cathode-grid space 100-101 is electromagnetically coupled to the cavity C 2 of the accelerator structure A by means of 'A coupling loop B 2 plunging into this cavity C 2 .
  • Such a coupling makes it possible to create an alternating voltage of frequency f between the grid 101 and the cathode 100 of the triode G so that this cathode-grid space 100-101 is excited in phase opposition with respect to the grid-anode space 101-102 of triode G.
  • triode G can be replaced by a conventional oscillating tetrode (not shown).
  • the accelerator device according to the invention is intended to operate in long pulses, of the order of a millisecond.
  • This pulse length is essentially imposed by the operating frequency f of the accelerating structure (200 MHz for example), the time of filling in electromagnetic energy of the cavities of the accelerating structure being proportional to 3/2, 1 being the length d wave corresponding to frequency f .
  • the generator 21 supplying the electromagnet 20 controls the device 24 for triggering the pulses, on the one hand, of the modulator 23 of the triode G, then, on the other hand, of the modulator 22 of the cathode K of the accelerator A.
  • the generator 21 supplies a sinusoidal voltage whose period is close to 300 Hz for example.
  • the triggering of the pulses applied respectively to the cathode K of the accelerator A and to the triode G is such that these pulses (of a millisecond for example) pass during the time ⁇ t corresponding to the scanning time of the target Z, le. potential V 21 applied to the varying electromagnet. during this time ⁇ t between the values v M and v m .
  • This is obtained with a trigger frequency equal to a sub-multiple of 300.
  • the repetition frequencies could be, for example, 10, 30 or 50 Hz.
  • FIG. 5 shows the signal a 21 applied to the electromagnet 21, the signal a 23 supplied by the modulator 23 as well as the signal a G applied to the anode 102. of the triode G, and finally the signal a K applied to the cathode K of the accelerator A.
  • Such a supply system therefore makes it possible to scan the total width of the target Z by the beam of particles accelerated during the duration ⁇ t of the pulse applied to the cathode K of the accelerator A, the period of recurrence of these pulses. corresponding to k times the period of the sinusoidal signal a 21 applied to the electromagnet 21, k being an integer equal to or greater than 1.

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Abstract

L'invention se rapporte à un dispositif accélérateur de particules chargées comprenant un accélérateur linéaire (A) de réalisation simple associé à un générateur d'ondes électromagnétiques comportant une valve thermoionique du type triode (G) ou tétrode.
Une structure accélératrice (Ci, C2, C3) des moyens de couplages (B1) électromagnétique couplant la triode (G) et la structure (C1, C2, C3) accélératrice sont décrits, ainsi que des moyens de balayage (20) permettant à un faisceau pulsé de particules accélérées de balayer une cible (Z) de grande largeur pendant une impulsion de ce faisceau.
Application: Appareils d'irradiation industriels.

Description

  • Les appareils d'irradiation utilisés dans l'industrie et plus. particulièrement ceux utilisés pour la stérilisation de produits alimentaires ou pharmaceutiques, nécessitent des faisceaux de particules chargées, des électrons par exemple, ayant des énergies de 1 à 10 MeV et des puissances moyennes de quelques dizaines de kilowatts. En fait, la valeur de 10 MeV est une valeur limite imposée pour l'énergie des électrons afin d'éviter tous risques de création de produits radioactifs dans les éléments irradiés.
  • Ces appareils d'irradiation peuvent utiliser des accélérateurs du type Van de Graff, ou colonne de Grenacher, permettant d'attein- dre des puissances moyennes importantes, mais sont généralement limités à des énergies de 2 à 3 MeV à cause des difficultés de tenue en tension des isolants.
  • Il est aussi connu d'utiliser, dans ces appareils d'irradiation, des accélérateurs linéaires fonctionnant à des fréquences voisines de 3 000 MHz, le générateur à microondes associé à ces accélérateurs étant généralement un magnétron ou un klystron fonctionnant en impulsions courtes.
  • Cependant, il peut être intéressant pour certaines applications (traitement des eaux et boues par exemple) d'utiliser des dispositifs d'irradiation de réalisation simple et de faible coût.
  • La présente invention a pour objet un dispositif accélérateur de particules chargées fonctionnant en ondes métriques et pouvant être avantageusement utilisé dans de tels dispositifs d'irradiation.
  • Suivant l'invention, un dispositif accélérateur de particules chargées comprenant une source de particules, une structure linéaire accélératrice formée d'une succession de cavités résonnantes accélératrices, un générateur d'ondes électromagnétiques pouvant émettre un signal destiné à être injecté dans l'une au moins de ces cavités résonnantes, des moyens permettant d'appliquer une haute-tension pulsée sur la source de particules, des moyens de focalisation du faisceau et des moyens de balayage d'une cible par le faisceau de particules accélérées, est caractérisé en ce que le générateur d'ondes électromagnétiques comporte une valve thermoionique munie d'une cathode, d'une anode et d'au moins une grille, en ce que l'une au moins des cavités résonnantes de la structure accélératrice est électromagnétiquement couplée à l'espace grille-anode de la valve.
  • L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des dessins qui l'accompagnent et sur lesquels :
    • - la figure 1 représente un exemple de réalisation d'une structure linéaire accélératrice fonctionnant en ondes métriques, suivant l'invention ;
    • - les figures 2 et 3 représentent respectivement deux exemples de couplage électromagnétique d'une triode oscillatrice à la structure accélératrice montré en figure 1 ;
    • - la figure 4 représente un accélérateur linéaire suivant l'invention associé à un dispositif de balayage du faisceau de particules accélérées et les moyens d'alimentation de l'ensemble accélérateur et dispositif de balayage, ainsi que de la triode oscillatrice associée à l'accélérateur ;
    • - la figure 5 représente les signaux a21, aG, aK appliqués respectivement sur l'électro-aimant de balayage, sur la triode et sur la cathode de l'accélérateur de particules pendant un temps Δt.
  • La figure 1 représente un exemple de réalisation d'une structure linéaire SA accélératrice suivant l'invention. Cette structure SA, de type bipériodique, et destinée à fonctionner en ondes métriques, comporte une série de cavités accélératrices C1, C2, C3 ... cylindriques, deux cavités accélératrices successives C1, C2 ou C2, C3 ... étant couplées électromagnétiquement l'une à l'autre au moyen de trous de couplage t12, t23 ... respectivement.
  • Dans un exemple de réalisation, la structure accélératrice SA suivant l'invention est réalisée au moyen d'une succession de tybes cylindriques T1, T2, T3... métalliques d'axe XX, en cuivre par exemple, placés bout à bout et présentant à leurs extrémités des épaulements 1, 2 et 3, 4 ... de centrage permettant un montage aisé de la structure SA. Entre deux tubes T1, T2 ou T2, T3 ... successifs sont placées des plaques métalliques circulaires P12' P23 ... delimi- tant longitudinalement les cavités accélératrices C1, C2, C3 ... Sur chacune des plaques P12' P23 ..., qui sont munies d'un orifice central O12' O23 ... respectivement, sont fixés des éléments M et N qui ont une épaisseur croissante de leur zone périphérique à leur zone centrale et délimi tent, dans la zone centrale de la structure accélératrice, un espace de glissement e séparant deux cavités résonnantes C1, C2 ou C2, C3... consécutives de la structure accélératrice SA du type bipériodique.
  • Comme montré en figure 1, la forme de l'élément M est telle qu'il présente sur sa face en vis-à-vis de la plaque P12, ou P23 ... sur laquelle il est fixé, un logement annulaire L dans lequel est placée une bobine magnétique m1 ou m2 ... de focalisation du faisceau de particules chargées. Un canal radial (non visible sur la figure), ménagé dans les plaques P12, P23' permet le passage des fils d'alimentation des bobines m1, m2.
  • Dans l'exemple de réalisation de la structure accélératrice SA montrée en figure 1, l'élément M est fixé sur la plaque P12 au moyen d'une série de vis y, dont la tête est noyée dans cette plaque P12' et l'élément N est fixé sur la plaque P12, en vis-à-vis de l'élément M, au moyen d'une série de vis V placées obliquement par rapport à la plaque P12.
  • Cet exemple de réalisation d'une structure linéaire SA accélératrice n'est pas limitatif. On pourrait également utiliser une structure liénaire tripériodique ou une structure interdigitale de type connu (non représentées).
  • Quel que soit le type de structure accélératrice choisi, l'une au moins des cavités accélératrices de la structure accélératrice est couplée électromagnétiquement à un générateur d'ondes électromagnétiques qui, dans un exemple de réalisation du dispositif accélérateur suivant l'invention, est une triode oscillatrice fonctionnant en ondes métriques.
  • La figure 2 montre un système de couplage électromagnétique de cette triode G et de la structure accélératrice SA suivant l'invention, telle que montrée en figure 1.
  • Cette triode G, de type classique, comporte une cathode 100, une grille 101 et une anode 102. L'espage grille-anode 101-102 est associé à une ligne coaxiale 103 qui est couplée électromagnétiquement à la cavité accélératrice C1 de la structure accélératrice SA au moyen d'une boucle de couplage BI qui plonge dans cette cavité C1. Dans cet exemple de réalisation, l'espace cathode-grille 100-101 est associé à une ligne coaxiale 104 couplée capacitivement à la ligne coaxiale 103 au moyen d'un plongeur D radial, dont l'enfoncement dans la ligne coaxiale 104 est réglable. Des pistons annulaires P103' p104 mobiles, sans contact électrique, placés respectivement dans les lignes coaxiales 103 et 104 permettent de régler convenablement la longueur de ces lignes coaxiales 103 et 104.
  • En fonctionnement, la triode G oscille sur le mode , à la fréquence f de résonance des cavités C1, C2 ...
  • Dans un autre exemple de réalisation du dispositif accélérateur suivant l'invention montré en figure 3, la ligne coaxiale 103 associée à l'espace cathode-grille 100-101, est couplé électromagnétiquement à la cavité C2 de la structure accélératrice A au moyen d'une boucle de couplage B2 plongeant dans cette cavité C2. Un tel couplage permet de créer une tension alternative de fréquence f entre la grille 101 et la cathode 100 de la triode G de façon que cet espace cathode-grille 100-101 soit excité en opposition de phase par rapport à l'espace grille-anode 101-102 de la triode G.
  • Il est à remarquer que la triode G peut être remplacée par une tétrode oscillatrice conventionnelle (non représentée).
  • Il est aussi possible dans un autre exemple de réalisation du dispositif accélérateur suivant l'invention de remplacer la triode G oscillatrice par une triode amplificatrice associée à un pilote (non représentée).
  • Dans certaines applications mentionnées précédemment, le dispositif accélérateur suivant l'invention est destiné à fonctionner en impulsions longues, de l'ordre de la milliseconde. Cette longueur d'impulsion est imposée essentiellement par la fréquence f de fonctionnement de la structure accélératrice (200 MHz par exemple), le temps de remplissage en énergie électromagnétique des cavités de la structure accélératrice étant proportionnel à 3/2, 1 étant la longueur d'onde correspondant à la fréquence f.
  • La figure 4 montre schématiquement un système d'alimentation en tension d'un dispositif accélérateur suivant l'invention délivrant un faisceau de balayage destiné à balayer une cible Z de grande largeur. L'accélérateur linéaire A est alimenté par une haute-tension pulsée fournie, par exemple, par un modulateur 22 à lignes à retard associées à des thyristors. Ces lignes à retard, placées en parallèle, sont chargées, de façon connue, par un redresseur connecté sur le secteur. Ce système d'alimentation comporte de plus :
    • - un générateur 21 fonctionnant à 300 Hz par exemple et permettant d'exciter un électro-aimant 20 de balayage avec un courant sinusoïdal ;
    • - un condensateur 25 d'accord de fréquence du générateur 21 ;
    • - un modulateur 23 destiné à alimenter en haute-tension la triode G ;
    • - un dispositif 24 de déclenchement des impulsions des modulateurs 22 et 23 permettant la synchronisation des impulsions envoyées par le modulateur 22 sur la cathode K de l'accélérateur et par le modulateur 23 sur l'anode 102 de la triode G.
  • En fonctionnement, le générateur 21 alimentant l'électro-aimant 20 commande le dispositif 24 de déclenchement des impulsions, d'une part, du modulateur 23 de la triode G, puis, d'autre part, du modulateur 22 de la cathode K de l'accélérateur A. Le générateur 21 fournit une tension sinusoïdale dont la période est voisine de 300 Hz par exemple. Le déclenchement des impulsions appliquées respectivement sur la cathode K de l'accélérateur A et sur la triode G est tel que ces impulsions (d'une milliseconde par exemple) passent pendant le temps Δt correspondant au temps de balayage de la cible Z, le. potentiel V21 appliqué à l'électro-aimant variant. pendant ce temps Δt entre les valeurs vM et vm. Cela est obtenu avec une fréquence de déclenchement égale à un sous-multiple de 300. Les fréquences de répétition pourront être par exemple de 10, 30 ou 50 Hz.
  • La figure 5 montre le signal a21 appliqué sur l'électro-aimant 21, le signal a23 fourni par le modulateur 23 ainsi que le signal aG appliqué sur l'anode 102. de la triode G, et enfin le signal aK appliqué sur la cathode K de l'accélérateur A.
  • Un tel système d'alimentation permet donc un balayage de la largeur totale de la cible Z par le faisceau de particules accélérées pendant la durée Δt de l'impulsion appliquée sur la cathode K de l'accélérateur A, la période de récurence de ces impulsions correspondant à k fois la période du signal a21 sinusoïdal appliqué sur l'électro-aimant 21, k étant un nombre entier égal ou supérieur à 1.

Claims (10)

1. Dispositif accélérateur de particules chargées comportant une source de particules chargées, une structure linéaire accélératrice formée d'une succession de cavités résonnantes, un générateur d'ondes électromagnétiques pouvant émettre un signal destiné à être injecté dans l'une au moins de ces cavités résonnantes, des moyens permettant d'appliquer une haute-tension pulsée sur la source de particules, des moyens de focalisation du faisceau et des moyens de balayage du faisceau de particules accélérées, caractérisé en ce que le générateur d'ondes électromagnétiques comporte une valve thermoionique munie d'une cathode, d'une anode et d'au moins une grille, en ce que l'une au moins des cavités résonnantes de la structure accélératrice est électromagnétiquement couplée à l'espace grille-anode de la valve.
2. Dispositif accélérateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la valve est une triode G oscillatrice.
3. Dispositif accélérateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la valve est une tétrode oscillatrice.
4. Dispositif accélérateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur est une valve amplificatrice associée à un pilote de fréquence f égale à la fréquence de résonance des cavités résonnantes de la structure accélératrice.
5. Dispositif accélérateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il fonctionne en ondes métriques.
6. Dispositif accélérateur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la triode G, qui comporte une ligne coaxiale (103) de longueur réglable associée à l'espace grille-anode (101-102) et une ligne coaxiale (104) de longueur réglable associée à l'espace cathode-grille (100-101), est couplée électromagnétiquement à l'une (CI) des cavités résonnantes de la structure accélératrice au moyen d'une boucle (B1) et en ce qu'un plongeur (D) mobile assure un couplage capacitif entre les lignes coaxiales (103) et (104).
7. Dispositif accélérateur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la triode G, qui comporte une ligne coaxiale (103) de longueur réglable associée à l'espace grille-anode (101-102) et une ligne coaxiale (104) associée à l'espace cathode-grille (100-101), est munie de moyens. de couplage permettant: de coupler électromagnétiquement d'une part, la ligne coaxiale (103) à l'une (C1) des cavités de la structure accélératrice et d'autre part, la ligne coaxiale (104) à une autre cavité (C2) de cette structure accélératrice suivant immédiatement la cavité (C1) de manière que l'espace cathode-grille (100-101) de la triode (G) soit excité en opposition de phase par rapport à l'espace grille-anode (101-102), la structure accélératrice étant du type bipériodique.
8. Dispositif accélérateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le système de balayage du faisceau de particules accélérées permet de balayer la largeur d'une cible Z à chaque impulsion du faisceau de particules accélérées.
9. Dispositif accélérateur suivant la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte :
- un modulateur 22 permettant d'appliquer sur la cathode (K) de l'accélérateur une haute-tension pulsée ;
- un modulateur 23 permettant d'appliquer une haute-tension pulsée sur l'anode (102) de la triode (G) ;
- un générateur (21) fournissant une tension sinusoïdale destinée à être appliquée sur un électro-aimant de balayage ;
- un dispositif (24) de déclenchement des impulsions des modulateurs (22) et (23), le générateur (21) contrôlant la mise en fonctionnement du dispositif (24). ;
10. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, et comportant une structure accélératrice linéaire formée d'une succession de tubes (T1, T2, T3) métalliques de forme cylindrique, d'axe XX, et de plaques (P12, P23) circulaires, disposées perpendiculairement à l'axe XX, cette structure étant caractérisée en ce que des éléments (M, N) annulaires, sont fixés respectivement de part et d'autre de chacune des plaques (P12, P23), en ce que ces éléments ont une épaisseur croissante de leur zone périphérique à leur zone centrale, et en ce que les éléments (M) ont une forme telle qu'ils présentent sur leur face en vis-à-vis des plaques (P12, P23) auxquelles ils sont respectivement associés, un logement annulaire L destiné à recevoir un bobinage (m1 ou m2). magnétique.
EP81400295A 1980-03-04 1981-02-26 Dispositif accélérateur de particules chargées fonctionnant en ondes métriques Expired EP0035445B1 (fr)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
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EP0035445A3 EP0035445A3 (en) 1981-10-14
EP0035445B1 EP0035445B1 (fr) 1984-05-16

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