EP0694247B1 - Accelerateur d'electrons a cavite coaxiale - Google Patents

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EP0694247B1
EP0694247B1 EP92909534A EP92909534A EP0694247B1 EP 0694247 B1 EP0694247 B1 EP 0694247B1 EP 92909534 A EP92909534 A EP 92909534A EP 92909534 A EP92909534 A EP 92909534A EP 0694247 B1 EP0694247 B1 EP 0694247B1
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cavity
electron beam
electron
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accelerator
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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
    • 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.
  • 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.
  • 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 shaped entry faces suitably focus the electron beam. Therefore, it is not necessary to provide additional focusing elements.
  • 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 aforementioned document.
  • this electron accelerator implies that the cavity is supplied by a high frequency field source.
  • an electric field of a few hundred megahertz is generated by an external high frequency generator.
  • Document US-A-4763079 describes a method of decelerating a particle beam where the energy produced by the deceleration of the particles is stored in order to be used for the acceleration of electrons in another accelerator.
  • 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 WO-A- 88/09597.
  • 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 making it possible to modulate the intensity of the emitted electrons, in particular a control grid or a regrouper.
  • a device making it possible to modulate 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 encounter 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%.
  • 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 external cylindrical conductor 10 and an internal 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.
  • the main beam 1 will be accelerated along its path in the coaxial cavity 5.
  • the electric field E should be canceled when the beam crosses the internal conductor 20 so that the field is accelerating when crossing the first part of the cavity (between the external conductor 10 and the conductor interior 20) and again accelerator and therefore opposite when crossing the second part of the trajectory, that is to say between the interior conductor 20 and the exterior conductor 10.
  • At the outside of the coaxial cavity 5 is disposed 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 in 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.
  • Figure 2 shows 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. This generates the electromagnetic field necessary for the acceleration of the first electron beam 1.
  • this second electron beam 2 is injected into the coaxial cavity 5 along a plane which is different from the median plane 40.
  • the electrons will be deflected towards the walls of the cavity which allows evacuation of these- this out of the cavity.
  • the electrons should not be slowed down to a stop in the cavity itself, because in this case the electrons are again subjected in the opposite direction to the action of the electromagnetic field and thereby re-accelerated.
  • the rate of conversion of the kinetic energy of electrons into electromagnetic energy is limited to values of 80 to 90%.
  • 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

    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 l'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 pulsé et présentant des intensités de faisceau relativement faibles.
  • Dans le document WO-A-88/09597, (Commissariat à l'Energie Atomique), qui correspond à la demande EP-A-0359774 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 pulsé.
  • D'autre part, le dispositif décrit est auto-focalisant. Ceci est dû au fait que les déflecteurs magnétiques 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 nécessaire 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 Kw qui peuvent créer des champs électriques de plusieurs centaines de Mégahertz sont des dispositifs relativement 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 faisceau de particules où l'énergie produite 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 fréquence particulièrement onéreux, tout en conservant les avantages propres à la disposition originale de l'accélérateur d'électrons du type décrit dans le document WO-A-88/09597.
    • 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,
    l'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 dispositif permettant de moduler l'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 rencontrent 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 médian d'un accélérateur d'électrons 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 présente invention
  • La figure 1 représente une vue en coupe selon le plan médian de la cavité coaxiale de l'accélérateur d'électrons selon la présente invention.
  • La cavité 5 est délimitée par un conducteur cylindrique 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 intérieur 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 accélération et en ressort par l'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 parallèle 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 générer 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 ralentis jusqu'à l'arrêt dans la cavité elle-même, car dans ce cas les électrons sont à nouveau soumis au sens inverse à l'action 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 particulièrement 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 (4)

  1. Accélérateur d'électrons comprenant :
    - une première source (100) émettant un premier 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 (1) d'électrons 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 second (2) faisceau d'électrons, ce faisceau (2) d'électrons étant décéléré lors de son passage dans la cavité coaxiale (5) permettant de produire le champ électromagnétique nécessaire à l'accélération du premier faisceau (1) d'électrons issu de la première source (100).
  2. Accélérateur d'électrons selon la revendication 1 caractérisé en ce que le second faisceau (2) d'électrons est injecté dans la cavité coaxiale (5) selon un plan qui est différent du plan médian (40), permettant ainsi de défléchir les électrons de ce second faisceau 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 (210) de modulation d'intensité du faisceau (2) d'électrons.
  4. Accélérateur d'électrons selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte au moins un déflecteur d'électrons (51, 53) placé à l'extérieur de la cavité, qui reçoit le premier faisceau (1) ayant traversé la cavité (5) selon un premier diamètre, le défléchit et le réinjecte dans la cavité (5) toujours dans le plan médian (40) selon un second diamètre du conducteur extérieur (10).
EP92909534A 1991-05-29 1992-05-27 Accelerateur d'electrons a cavite coaxiale Expired - Lifetime EP0694247B1 (fr)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
BE9100516A BE1004879A3 (fr) 1991-05-29 1991-05-29 Accelerateur d'electrons perfectionne a cavite coaxiale.
BE9100516 1991-05-29
PCT/BE1992/000023 WO1992022190A1 (fr) 1991-05-29 1992-05-27 Accelerateur d'electrons a cavite coaxiale

Publications (2)

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EP0694247A1 EP0694247A1 (fr) 1996-01-31
EP0694247B1 true EP0694247B1 (fr) 1997-10-29

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EP (1) EP0694247B1 (fr)
JP (1) JP3031711B2 (fr)
AU (1) AU1757892A (fr)
BE (1) BE1004879A3 (fr)
CA (1) CA2110067C (fr)
DE (1) DE69222958T2 (fr)
DK (1) DK0694247T3 (fr)
RU (1) RU2104621C1 (fr)
WO (1) WO1992022190A1 (fr)

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