FR2588714A1 - Accelerateur d'ions a haute frequence - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE LES ACCELERATEURS D'IONS A HAUTE FREQUENCE COMPRENANT UN RESONATEUR ACCELERATEUR QUI COMPORTE DES ELECTRODES INTERNES, DES TUBES DE GLISSEMENT ET UN ECRAN EXTERNE AINSI QU'UN OSCILLATEUR A HAUTE FREQUENCE, UNE SOURCE D'IONS ET UN DISPOSITIF DE SORTIE RELIES AU RESONATEUR. LES TUBES DE GLISSEMENT 13, 7, 11 SONT RELIES A L'ECRAN EXTERNE 4 ET LES TUBES DE GLISSEMENT 5, 9 AUX ELECTRODES INTERNES 2, 3 QUI SONT DISPOSEES DE FACON ASYMETRIQUE PAR RAPPORT A L'AXE LONGITUDINAL DE L'ECRAN EXTERNE 4 ET RELIEES ENTRE ELLES PAR UN DISQUE CONDUCTEUR 16. APPLICATION COMME INJECTEUR D'IONS POUR LES SYNCHROTRONS OU COMME SECTION PRE-ACCELERATRICE DES ACCELERATEURS LINEAIRES D'IONS A FORTES ENERGIES.
Description
ACCELERATEUR D'IONS A HAUTE FREQUENCE
L'invention concerne les accélérateurs d'ions et, notamment, les accélérateurs d'ions à haute fréquence.
L'invention concerne les accélérateurs d'ions et, notamment, les accélérateurs d'ions à haute fréquence.
L'accélérateur faisant l'objet de l'invention peut être appliqué comme injecteur d'ions pour les synchrotrons, ou bien comme section pré-accélératrice des accélérateurs d'ions à fortes énergies, et également comme accélérateur indépendant dans les accélérateurs industriels, notamment pour la fabrication des isotopes à vie courte de l'oxygène, de l'azote, du carbone, du fluor et d'autres éléments, en vue de leur emploi en médecine.
Les matériels les plus connus dans ce domaine sont les cyclotrons à faible encombrement et les accélérateurs d'ions à action directe, comportant un tube accélérateur et une source de haute tension assurant l'énergie nécessaire aux particules accélérées. Les accélérateurs de ce type sont handicapés, soit par la complexité de la fabrication des tubes accélérateurs et la difficulté d'assurer leur rigidité diélectrique, soit par leur grand encombrement, leur poids elevé et la consommation d'energie du système magnétique, ainsi que par les difficultés de la mise en place et du remplacement des sources d'ions.
On connait bien maintenant les accélérateurs d'ions à haute fréquence, réalisés sur la base de structures accélératrices à type d'ondes E0101 Hiin ou de structures accélératrices à type d'ondes analogues à H. Dans ces dispositifs, les possibilités d'accélération des ions lourds à faible énergie initiale d'injection sont limites, par suite des faibles longueurs des tubes de glissement, si l'on veut conserver un diamètre raisonnable à la cavité résonante et par les difficultés rencontrées pour réaliser la focalisation transversale des ions accélérés.
Pour accélérer les ions à faible energie initiale, on utilise à grande échelle les accélérateurs d'ions à haute fréquence, comprenant des sections accélératrices réalisées sur la base de lignes unifilaires ou bifilaires blindées à type d'ondes TEM, n'ayant pas de longueur critique pour les onaes électromagnétiques.
On connait un accélérateur d'ions a haute fréquence (Proceedings of the 1976 Proton linear accelerator conference, Chalk River, 1976, p.62), comprenant plusieurs sections accélératrices, dont l'une est réalisée sous la forme d'un résonateur accélérateur coaxial se présentant sous la forme d'une ligne blindée unifilaire avec des tubes de glissement alignés reliés alternativement à l'électrode interne et à l'écran externe, ces tubes etant disposés de telle sorte que leur axe longitudinal soit perpendiculaire à l'axe longitudinal du résonateur accélérateur.
Les résonateurs accélérateurs des accélérateurs de ce type se rapportent aux systèmes à coupures accélératrices couplées en parallèle.
Les coupures accélératrices sont formees par les tranches des tubes de glissement. L'énergie des particules accelerées croit proportionnellement au nombre de coupures accélératrices, tandis que les dimensions longitudinales de la voie d'accélération augmentent bien plus rapidement, par suite de l'augmentation de la vitesse des ions. L'augmentation de la longueur de la période d'accélération entraîne une diminution de la cadence d'accélération dans les portions finales d'accélération.
D'autre part, on connaît des accélérateurs d'ions à haute fréquence dans lesquels, pour combattre la décharge à haute fréquence de résonance des électrons secondaires dans les coupures accélératrices, on recourt à divers moyens techniques. Par exemple, on utilise un long traitement de formation des coupes accélératrices en excitant le resonateur à partir d'un oscillateur à haute fréquence à étages multiples à excitation séparée, ou bien à partir d'un auto-oscillateur à haute fréquence à etages multiples avec un oscillateur pilote -auxiliaire. On dépose sur les surfaces des tubes de glissement constituant les coupures accélératrices des revêtements spéciaux à bas coefficient d'émission secondaire, ou bien on fabrique les resonateurs avec des alliages speciaux. Les moyens indiqués compliquent notablement la conception de l'accélérateur d'ions à haute fréquence.Le procédé le plus simple pour remédier à la décharge à haute fréquence de résonance des électrons secondaires est l'application d'une tension continue de polarisation à une partie des tubes de glissement.
Par ailleurs, on connaît un accélérateur d'ions à haute fréquence ("Accélérateur d'électrons et d'ions à faisceaux multiples où l'énergie atteint 1,5 MeV/change" par I.A. Baranov, N.N. Devyatko, V.V. Obnorsky et autres dans "Exposes de la troisième conférence générale sur les applications dans l'économie des accélérateurs de particules chargées", tome I, p.114, Léningrad, 1979), comprenant un résonateur accélérateur cylindrique coaxial quart d'onde, dans lequel l'électrode interne porte à son extrémité non bouclée un tube de glissement, fixé de telle façon que son axe longitudinal soit perpendiculaire à l'axe longitudinal du résonateur, l'écran externe du résonateur étant realisé en deux parties.
La partie inférieure de l'écran externe est montée dans un récipient sous vide sur des isolateurs supports et est raccordée à la partie supérieure de l'écran par l'intermédiaire de condensateurs d'arret. Afin de supprimer la décharge à haute fréquence de résonance des électrons secondaires, une tension de polarisation de -4 kV est appliquée à la partie inférieure de l'écran extérieur, à partir d'une source de tension continue. Pour l'alimentation à haute fréquence du résonateur, on utilise un auto-oscillateur à un seul étage à grille commune, le résonateur faisant lui-même partie du circuit d'anode de l'auto-oscillateur.
Dans cet accélérateur d'ions à haute fréquence, tout le courant de grille du résonateur passe à travers les condensateurs d'arrêt. La valeur limitée de la puissance réactive admissible sur les condensateurs d'arrêt limite la valeur du courant de grille, d'ou il s'ensuit la limitation de la valeur de la tension aux coupures accélératrices et, en conséquence, de l'énergie et de la cadence d'accélération des ions accélérés. En outre, le fonctionnement des condensateurs d'arrêt dans le vide requiert un système plus sophistiqué d'évacuation de la chaleur qui s en dégage, ce qui complique notablement la conception de l'accéléra- teur d'ions à haute fréquence.
On connait un accélérateur d'ions à haute fréquence (G. Nassibia,
I.R.I. Rennett, et al. A One - MeV/Nucleon Sloan and Laurence Heave
Ion Linear Accelerator. The Review of Scientific Instruments Vol. 32, n" 12; p. 1316-1326), comprenant un résonateur accélérateur, qui se présente sous la forme d'une ligne bifilaire blindée excitée en opposition de phase, comportant une première et une seconde électrodes internes, des tubes- de glissement reliés au résonateur, un oscillateur à haute fréquence avec une alimentation à haute tension, une source d'ions disposée d'un côté de la voie d'accélération des ions, et un dispositif de sortie, situé au coté opposé à la voie d'accélération des ions.
I.R.I. Rennett, et al. A One - MeV/Nucleon Sloan and Laurence Heave
Ion Linear Accelerator. The Review of Scientific Instruments Vol. 32, n" 12; p. 1316-1326), comprenant un résonateur accélérateur, qui se présente sous la forme d'une ligne bifilaire blindée excitée en opposition de phase, comportant une première et une seconde électrodes internes, des tubes- de glissement reliés au résonateur, un oscillateur à haute fréquence avec une alimentation à haute tension, une source d'ions disposée d'un côté de la voie d'accélération des ions, et un dispositif de sortie, situé au coté opposé à la voie d'accélération des ions.
Le résonateur accélérateur de cet accélérateur d'ions à haute fréquence est constitué par une succession de résonateurs quart d'onde, couplés entre eux aux points d'égal potentiel haute fréquence. Chaque résonateur est une ligne bifilaire blindée à excitation symétrique en opposition de phase. Sur une certaine longueur du résonateur, du côté de son extrémité ouverte, des tubes de glissement sont alternativement connectés aux électrodes internes. Les axes longitudinaux des tubes de glissement sont parallèles à l'axe longitudinal de l'accélérateur d'ions à haute fréquence.Les potentiels haute fréquence des deux electrodes internes sont égaux egalement et, les tensions à chaque coupure accélé- ratrice étant pratiquement égales, la cadence d'accélération baisse à l'extrémité de chaque résonateur, au fur et à mesure que la vitesse des ions à accélerer augmente, ce qui est du à l'accroissement de la longueur des tubes de glissement. Il en résulte un abaissement de la cadence d'accélération de tout l'accélérateur d'ions à haute fréquence.
Dans I'accelérateur d'ions à haute frequence selon l'invention, pour combattre la décharge à haute fréquence de résonance des électrons secondaires dans les coupures accélératrices, on recourt à un long traitement de formation des coupures accélératrices avec excitation du résonateur accélérateur a partir d'un oscillateur à haute fréquence à étages multiples à excitation séparée, ce qui complique la conception de 1 'oscillateur à haute fréquence et, par conséquent, de l'accélérateur d'ions à haute fréquence.
On s'est proposé de creer un accélérateur d'ions à haute fréquence dont la conception serait telle qu'elle permette d'exploiter d'une manière optimale la géométrie de son résonateur accélérateur, d'accroitre la tension aux coupures accélératrices de la portion finale de la voie d'accélération et de supprimer la décharge à haute frequence de résonance des électrons secondaires, et, de la sorte, d'assurer une augmentation de la cadence d'accélération des ions et une simplification de la conception de l'accélérateur d'ions à haute fréquence.
La solution consiste en ce que, dans l'accélérateur d'ions à haute fréquence, comprenant un résonateur accélérateur, qui se presente sous la forme d'une ligne bifilaire blindee, excitee en opposition de phase et comportant une première et une seconde electrodes internes, des tubes de glissement qui constituent la voie d'accélération des ions, et un ecran externe, ainsi qu'un oscillateur à haute frequence avec une alimentation à haute tension, une source d'ions située d'un coté de la voie d'accélération des ions, un dispositif de sortie situé au coté opposé de la voie d'accélération, l'oscillateur, la source d'ion et le dispositif de sortie étant reliés au résonateur, d'après l'invention, le résonateur accélérateur est un résonateur accélérateur du type quart d'onde, le premier tube de glissement du côté de la source d'ions, dans la portion initiale de la voie d'accélération des ions, et les tubes de glissement impairs de cette portion sont reliés à l'écran externe, les tubes de glissement pairs etant reliés à l'extrémité non bouclee de la première electrode interne, le premier tube de glissement du côté de la source d'ions, dans la portion finale de la voie d'accélération des ions, et les tubes de glissement impairs de cette portion sont reliés à l'extrémité non bouclée de la seconde électrode interne, les tubes de glissement pairs étant relies à l'écran externe, l'axe longitudinal des tubes de glissement es-t disposé perpendiculairement à l'axe longitudinal de l'écran externe, les électrodes internes sont disposées asymétriquement par rapport à l'axe longitudinal de l'écran externe, l'axe de la première électrode interne etant disposé à une distance de l'axe de l'écran externe se situant entre 0,5 et 0,7 fois le rayon de la circonférence de l'écran externe en section droite, l'axe de la seconde electrode interne étant disposé à une distance de l'axe longitudinal de l'écran externe se situant entre 0,1 et 0,4 fois le rayon de la circonférence de l'écran externe en section droite, et le rapport du diamètre de la circonférence de la première électrode interne en section droite au diamètre de la circonférence de la seconde électrode interne en section droite étant de 1,5 à 2,5, et les électrodes internes sont reliées entre elles par un disque conducteur, fixé à l'écran externe au moyen d'isolateurs.
La disposition asymétrique des électrodes internes par rapport à l'axe longitudinal de l'écran externe et la situation des axes des électrodes internes par rapport à l'axe longitudinal de l'écran externe aux distances indiquées, d'une part l'obtention d'un rapport des diametres des circonférences des electrodes internes en section droite se situant dans la plage indiquee pour une telle connexion des tubes de glissement et la disposition de ces tubes de façon que leur axe longitudinal soit perpendiculaire à l'axe longitudinal de l'écran, d'autre part se traduisent par une augmentation de la tension aux coupures accélératrices de la portion finale de la voie d'accélération et, en consequence, par une augmentation de la cadence d'accélération.
Le raccordement des électrodes internes par un disque conducteur fixe à l'écran externe au moyen d'isolateurs, rend possible l'application d'une tension continue de polarisation sans introduire d'éléments supplémentaires dans le résonateur accélérateur. Une telle méthode de suppression de la décharge à haute fréquence de résonance des électrons secondaires est la plus simple. En d'autres termes, le raccordement des électrodes internes par un disque conducteur, fixé à l'écran externe au moyen d'isolateurs, simplifie la conception.
La disposition de l'axe de la premiere électrode interne à une distance de l'axe longitudinal de l'écran externe supérieure à 0,7 fois le rayon de la circonférence de l'écran externe en section droite, et la disposition de l'axe de la seconde électrode interne à une distance de l'axe longitudinal de l'écran externe inférieure à 0,1 fois le rayon de la circonférence de l'écran externe en section droite, ainsi que le choix pour le rapport du diamètre de la circonférence de la première électrode interne en section droite au diamètre de la circonférence de la seconde électrode interne en section droite d'une valeur supérieure à 2,5 provoqueraient un abaissement du coefficient de surtension du résonateur accélérateur, ce qui se traduirait par un abaissement de la stabilité de fréquence du résonateur accélérateur et impliquerait une augmentation de la puissance de 1 'oscillateur a haute fréquence.
La disposition de l'axe de la première électrode interne à une distance de l'axe longitudinal de l'écran externe inférieure à 0,5 fois le rayon de la circonférence de l'écran externe en section droite, et la disposition de l'axe de la seconde électrode interne à une distance de l'axe longitudinal de l'écran externe supérieure à 0,4 fois le rayon de la circonférence de l'écran externe en section droite, ainsi que le choix d'un rapport du diamètre de la circonférence de la première électrode interne en section droite au diamètre de la circonférence de la seconde électrode interne en section droite qui soit supérieur à 1,5 entraineraient une augmentation des dimensions linéaires de l'accelération d'ions à haute fréquence et, par conséquent, un abaissement de la cadence d'accélération des ions.
Il est avantageux que l'accélérateur d'ions à haute frequence comporte des tubes de glissement constituant une voie supplémentaire d'accélération des ions, dans laquelle le premier tube de glissement et tous les tubes de glissement impairs suivants sont reliés à l'écran externe, les tubes de glissement pairs sont reliés a l'extrémité non bouclée de la seconde électrode interne, l'axe longitudinal des tubes de glissement est perpendiculaire à l'axe longitudinal des tubes de glissement de la voie d'accélération principale et à l'axe longitudinal de l'écran externe, et un système magnétique de changement de direction avec des éléments de réglage de la longueur de sa voie, son entrée étant connectée au dispositif de sortie, et sa sortie au premier tube de glissement de la voie supplémentaire d'accélération.
Le montage de tubes de glissement constituant une voie supplémentaire d'accélération des ions, reliée ainsi à l'écran externe et à l'extrémité non bouclée de la seconde électrode interne et dans laquelle l'axe des tubes de glissement est ainsi disposé, ainsi que l'emploi d'un système magnétique de changement de direction avec des éléments de réglage de la longueur de sa voie pour la transmission des ions de la voie d'accélération principale à la voie d'accélération supplémentaire, assurent une augmentation de l'énergie transmise aux ions à dimension égales de l'accélérateur d'ions à haute fréquence, c'est-à-dire se traduisent par une augmentation de la cadence d'accélération des ions.
Il est également avantageux que les tubes de glissement reliés à l'extrémité non bouclée de la première électrode interne soient entourés par un écran conducteur, relié à l'écran externe du résonateur accélera- teur.
Cela assure l'obtention du rapport requis entre les capacités des électrodes internes par le procédé le plus simple et la suppression de la décharge à haute fréquence de résonance des électrons secondaires entre le tube de glissement fixé à la première électrode interne et le tube de glissement fixé à la seconde électrode interne. Une telle solution simplifie la conception de l'accélérateur d'ions à haute fréquence.
La réalisation de l'accélérateur d'ions à haute fréquence conformément à l'invention permet d'accroître la cadence d'accélération des ions, tout en simplifiant sa conception, d'utiliser des moyens simples pour supprimer la décharge à haute fréquence de résonance des électrons secondaires, ce qui se traduit par une simplification de la technique de fabrication et pour ur abaissement des couts de fabrication et d'exploitation.
D'autres buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description de divers exemples de réalisation, faite à titre non limitatif et en regard du dessin annexé dans lequel:
- la figure 1 représente schématiquement un mode de réalisatior
d'un accélérateur d'ions à haute fréquence conforme à
l'invention;
- la figure 2 représenté une coupe suivant la ligne II-II à la
figure 1, dans le plan des tubes de glissement
perpendiculairement à l'axe longitudinal du resona
teur accélérateur selon l'invention;
- la figure 3 représente schématiquement un mode de réalisation
d'un accélérateur d'ions à haute fréquence selon
l'invention, comportant un écran conducteur entourant
les tubes de glissement de la première électrode, une
voie supplémentaire d'accélération des ions et un
système magnétique de changement de direction;;
- la figure 4 représente la coupe suivant la ligne IV-IV à la
figure 3, dans le plan des tubes de glissement,
perpendiculairement à l'axe longitudinal du résona
teur accélérateur selon l'invention.
- la figure 1 représente schématiquement un mode de réalisatior
d'un accélérateur d'ions à haute fréquence conforme à
l'invention;
- la figure 2 représenté une coupe suivant la ligne II-II à la
figure 1, dans le plan des tubes de glissement
perpendiculairement à l'axe longitudinal du resona
teur accélérateur selon l'invention;
- la figure 3 représente schématiquement un mode de réalisation
d'un accélérateur d'ions à haute fréquence selon
l'invention, comportant un écran conducteur entourant
les tubes de glissement de la première électrode, une
voie supplémentaire d'accélération des ions et un
système magnétique de changement de direction;;
- la figure 4 représente la coupe suivant la ligne IV-IV à la
figure 3, dans le plan des tubes de glissement,
perpendiculairement à l'axe longitudinal du résona
teur accélérateur selon l'invention.
L'accélérateur d'ions a haute fréquence comprend une enveloppe métallique 1 (figure 1), un résonateur accélérateur quart d'onde placé dans cette enveloppe 1 et se présentant sous la forme d'une ligne bifilaire blindée, excitée en opposition de phase, non bouclée à l'une de ses extrémités et comportant deux electrodes internes 2 et 3 et un écran externe 4. L'extrémité non bouclée de l'électrode interne 2 porte deux tubes de glissement 5, fixés à l'aide d'un cylindre 6. Entre les tubes de glissement 5, est placé un tube de glissement 7 relié à l'écran externe 4 par une barre 8. Sur l'extrémité non bouclée du résonateur accélérateur, sont prévus deux tubes de glissement 9, fixés à l'electrode 3 a l'aide d'un cylindre 10. Entre les tubes de glissement 9 est placé un tube de glissement 11, relié à l'écran externe 4 par une barre 12.Un tube de glissement 13 portant la source d'ions 14 et un tube de glissement 13 portant le dispositif de sortie 15 sont reliés a l'écran externe 4.
La portion initiale de la voie d'accélération des ions est constituée par le tube de glissement 13 situé du côté de la source d'ions 14, le premier tube de glissement 5, le tube de glissement 7 et le second tube de glissement 5. La portion finale de la voie d'accélération des ions est constituée par le premier tube de glissement 9, le tube de glissement 11, le second tube de glissement 9 et le tube de glissement 13 situe du côte du dispositif de sortie 15. L'axe longitudinal des tubes de glissement, 5, 7, 9, 11, 13 est disposé perpendiculairement à l'axe longitudinal de l'écran externe 4.
Les électrodes internes 2 et 3 sont disposées de façon asymétrique par rapport à l'axe longitudinal de l'écran externe 4. L'axe longitudinal de l'électrode interne 2 est disposé à une distance de l'axe longitudinal de l'écran externe 4 se situant entre 0,5 et 0,7 fois le rayon de la circonférence de l'écran externe 4 en section droite. L'axe longitudinal de l'électrode interne 3 est situé de telle façon que sa distance de l'axe longitudinal de l'écran externe 4 se situe entre 0,1 et 0,4 fois le rayon de la circonférence de l'écran externe 4 en section droite. Le rapport du diamètre de la circonférence de l'électrode interne 2 en section droite au diamètre de la circonférence de l'électrode interne 3 en section droite se situe entre 1,5 et 2,5.
Sur l'extrémité en court-circuit du résonateur accélérateur, les électrodes internes 2 et 3 sont reliées par un disque conducteur 16, qui est fixé à l'écran externe 4 au moyen d'isolateurs 17. Le disque conducteur 16 est porte à une tension négative via une inductance 18 à haute fréquence, la tension étant fournie par une source 19 de tension continue.
L'accélérateur d'ions à haute fréquence comprend un oscillateur à haute fréquence, dont le tube oscillateur 20 est monté sur un isolateur à vide 21 et est relié à la ligne bifilaire blindée par une boucle d'inductance 22. Un condensateur séparateur, constitué par une plaque 23 avec un intervalle diélectrique sous vide, sert à séparer la composante continue de la tension d'anode d'avec la composante à haute fréquence de la tension.
D'autre part, l'accélérateur d'ions à haute fréquence comporte une inductance à haute fréquence 24 pour l'application de la tension d'anode à l'anode du tube oscillateur 20, à partir de l'alimentation à haute tension 25 de l'oscillateur à haute fréquence. L'oscillateur à haute fréquence à auto-excitation, réalisé avec le tube oscillateur 20, comporte une réaction extérieure 26, constituée par une boucle de réaction et une ligne de réaction avec un déphaseur 27, raccordé au circuit de cathode 28, pour l'ajustage précis de la phase du signal de réaction.
La figure 2 montre la situation relative des tubes de glissement 13, 5, 7, 9, 11 par rapport à l'écran externe 4.
La figure 3 représente un accétérateur d'ions à haute fréquence qui comporte un système magnétique 29 de changement de direction. Les tubes de glissement 5, reliés à l'extrémité non bouclée de l'électrode interne 2, sont entourés par un écran conducteur 30, relié à l'écran externe 4, pour créer une charge capacitive supplémentaire sur l'extrémité non bouclée de l'électrode interne 2, du fait que le diamètre de l'électrode interne 3 est modifié afin d'égaliser le champ électrique accélérateur réparti suivant la longueur de la vofe d'accélération, et d'accélérer la propagation de la décharge à haute fréquence de résonance des electrons secondaires par effet d'écran sur le champ électrique entre les tubes de glissement 5, 9.
L'accélérateur d'ions à haute fréquence comporte deux tubes de glissement 31 (figure 4), reliés à l'extrémité non bouclée de l'electrode interne 3 (figure 3), et deux tubes de glissement 32 (figure 4) reliés à l'écran externe 4. Les tubes de glissement 32, 31, 11 constituent une voie supplémentaire d'accélération des ions. L'axe longitudinal des tubes de glissement 31, 32, 11 est perpendiculaire à l'-axe longitudinal des tubes 5, 7, 9, 13. Le système magnétique 29 de changement de direction assure la transmission des ions a accélerer de la voie principale d'accélération à la voie supplémentaire. Son entrée est raccordée au dispositif de sortie 15, et sa sortie au tube de glissement 32.Le système magnétique 29 de changement de direction comporte trois aimants 33 à 90 , deux éléments 34 de réglage de la longueur de voie et deux éléments 35 de transmission des ions.
L'accélérateur d'ions à haute fréquence fonctionne de la façon suivante. Après obtention du vide nécessaire dans l'enveloppe 1 (figure 1), on branche la source d'ions 14. Apres branchement de l'alimentation 25 à haute tension de l'oscillateur a haute fréquence et de la source de tension continue 19, l'oscillateur à haute frequence se trouve auto-excité a la fréquence fondamentale du résonateur accélérateur et une tension à haute fréquence apparait à toutes les coupures accélérés trices. Les ions issus de la source d'ions .4 sont accélérés dans les coupures accélératrices que forment les tubes de glissement 13, 5, 7, 9, 11.La longueur des coupures dans la portion initiale de la voie d'accelération des ions est choisie à une valeur telle que l'angle de parcours des ions dans la première coupure ait une valeur proche de s. Si la longueur de la coupure accélératrice est plus petite, la tension s'abaisse (et, par conséquent, la cadence d'accélération également), et si cette longueur est plus grande, le nombre d'ions accélérés dans 1 'accé- lérateur diminue.
Au fur et à mesure que les ions traversent les coupures, leur vitesse augmente et, afin de conserver l'égalité:
L1 = SS
2 (L1 étant la période d'accélération, A la longueur d'onde,
ss = Èî V1 la vitesse de l'ion, C la vitesse de la lumière),
C' 1 chaque tube suivant 5, 7, 5, 9, 11, 13 a une longueur plus grande que celle du tube de glissement 13, 5, 7, 9, 11 précédent. Il en résulte un abaissement d la cadence d'accélération dans la portion finale de la voie d'accélération.La cadence d'accélération des ions est augmentée par l'accroissement de la tension haute fréquence dans les coupures de la portion finale de la voie d'accélération, obtenu grâce a la disposition asymétrique des électrodes internes 2, 3 par rapport à l'axe longitudinal de l'écran externe 4 et à la diminution du diamètre de la circonférence de l'électrode interne 3 en section droite comparativement au diametre de la circonférence de l'électrode interne 2 en section droite, les tubes de glissement 13, 5, 7, 9, 11 étant montés de facon que les tubes 13, 7, 11 soient relies à l'écran externe 4, les tubes 5 à l'électrode interne 2 et les tubes 9 à l'électrode interne 3 et que leur axe longitudinal soit perpendiculaire à l'axe longitudinal de l'écran externe 4.
L1 = SS
2 (L1 étant la période d'accélération, A la longueur d'onde,
ss = Èî V1 la vitesse de l'ion, C la vitesse de la lumière),
C' 1 chaque tube suivant 5, 7, 5, 9, 11, 13 a une longueur plus grande que celle du tube de glissement 13, 5, 7, 9, 11 précédent. Il en résulte un abaissement d la cadence d'accélération dans la portion finale de la voie d'accélération.La cadence d'accélération des ions est augmentée par l'accroissement de la tension haute fréquence dans les coupures de la portion finale de la voie d'accélération, obtenu grâce a la disposition asymétrique des électrodes internes 2, 3 par rapport à l'axe longitudinal de l'écran externe 4 et à la diminution du diamètre de la circonférence de l'électrode interne 3 en section droite comparativement au diametre de la circonférence de l'électrode interne 2 en section droite, les tubes de glissement 13, 5, 7, 9, 11 étant montés de facon que les tubes 13, 7, 11 soient relies à l'écran externe 4, les tubes 5 à l'électrode interne 2 et les tubes 9 à l'électrode interne 3 et que leur axe longitudinal soit perpendiculaire à l'axe longitudinal de l'écran externe 4.
Afin de conserver la même intensité du champ électrique dans les coupures accélératrices, les longueurs de ces coupures dans la portion finale de la voie d'accélération sont augmentees comparativement aux longueurs des coupures accélératrices dans la portion initiale de voie d'accélération, proportionnellement à l'augmentation de la tension haute fréquence dans ces coupures. L'asymétrie de la disposition des électrodes internes 2, 3 par rapport à l'axe longitudinal de l'écran externe 4 et la différence de diamètre des électrodes internes 2, 3 sont déterminées par la différence d'impédance d'onde de ces électrodes 2, 3.
L'exploitation de la géométrie du résonateur (disposition des électrodes internes 2, 3 du résonateur et des tubes de glissement 13, 5, 7, 9, 11) est optimale quand l'impédance d'onde de l'électrode interne 2 est plus petite que celle de l'électrode interne 3 de n fois, n étant compris entre 1,5 et 2, et quand la capacité formée par les tubes de glissement 13, 5, 7 est, de façon correspondante, plus grande que celle formée par les tubes de glissement 9, 11, 13. Si n > 2, la résonateur accélérateur est difficilement réalisable sur le plan technique et, en outre, son coefficient de surtension diminue, ce qui implique l'augmentation de la puissance de l'oscillateur a haute fréquence pour obtenir une cadence donnée d'accélération des ions.Si n > 1,5, les dimensions linéaires du résonateur accélérateur augmentent, d'où il s'ensuit un abaissement de la cadence d'accélération des ions.
La tension aux extrémites non bouclées des électrodes internes 2, 3, excitées en opposition de phase et parcourues par des courants égaux, est proportionnelle à leur impédance d'onde. Quand l'excitation est en opposition de phase, la tension aux isolateurs 17 est proche de zéro, ce qui leve la limitation concernant le courant de grille du résonateur et permet d'augmenter la tension aux coupures accélératrices.
Le disque conducteur 16 est soumis à une tension continue, fournie par la source de tension 19 et appliquée via l'inductance 18, afin de prévenir la décharge à haute fréquence de résonance des électrons secondaires. Un tel procédé de suppression de la décharge exclut l'introduction d'éléments et de moyens supplémentaires dans l'accélérateur d'ions à haute fréquence et, de la sorte, simplifie sa conception. La stabilité longitudinale et transversale du mouvement des ions accélérés est assurée par le champ accélérateur lui-même, le principe mis en oeuvre étant celui de la focalisation par variation de phase. De la sorte, les ions issus de la source 14 d'ions et ayant traversé les coupures accélératrices formées par les tubes de glissement 13, 5, 7, 9, 11, ou leur énergie s'accroît, arrivent au dispositif de sortie 15.
L'accélérateur d'ions à haute fréquence conforme à l'invention permet d'accroitre la cadence d'accélération des ions, tout en état de conception plus simple.
Dans le cas où l'accélérateur est equipé d'un système magnétique 29 (figure 4) de changement de direction, les ions à accélerer ayant parcouru la voie d'accélération principale sont déviés par le système magnétique 29 et accélérés dans la voie d'accélération supplementaire. Celle-ci assure l'apport d'un supplément d'énergie aux ions, les dimensions linéaires de l'accélérateur d'ions à haute frequence et la puissance de l'oscillateur à haute frequence restant les mêmes, ce qui est équivalent à un accroissement de la cadence d'accélération des ions. La tension aux coupures accélératrices de la voie d'accélération est égale è celle des coupures accélératrices formés par les tubes de glissement Ç, 11, 13.
Le réglage de la longueur de la voie dans le système magnétique 29 de changement de direction à l'aide des éléments 34 prévus à cet effet assure les rapports de phase requis des voies d'accélération avec possibilité de régulation de l'énergie des ions à accélérer.
Dans l'accélérateur d'ions a haute fréquence à disposition asymétrique des électrodes internes 2 (figure 3), de la ligne bifilaire blindée et à diamètre réduit de l'électrode interne 3, l'angle de capture des ions au régime d'accélération restant conservé, l'énergie des ions accélérés augmente lors du parcours de la voie d'accélération de 1,5 fois plus que dans un résonateur accélérateur de construction symétrique. Les tubes 31 (figure 4), 32, 11 de glissement constituant la voie d'accélération supplémentaire, conjointement avec le système magnétique 29 de changement de direction, permettent d'augmenter d'encore 1,5 fois l'énergie des ions accélérés, sans dépense supplémentaire de puissance à haute fréquence pour l'excitation du- résonateur accélérateur.
De la sorte, l'accélérateur d'ions a haute fréquence décrit, caractérise par sa conception simplifiée, permet d'accroître la cadence d'accélération des ions.
Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés et elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention.
Claims (3)
1.- Accélérateur d'ions à haute fréquence, comprenant un résonateur accélérateur, qui se présente sous la forme d'une ligne bifilaire blindée, excitée en opposition de phase et comportant une première et une seconde électrodes internes, des tubes de glissement qui constituent la voie d'accélération des ions, et un écran externe ainsi qu'un oscillateur à haute frequence avec une alimentation à haute tension, une source d'ions située d'un côté de la voie d'accélération des ions et un dispositif de sortie située au côté opposé de la voie d'accélération, l'oscillateur, la source d'ions et le dispositif de sortie étant reliés au résonateur, caractérisé en ce que le premier tube de glissement (13) du côté de la source d'ions (14), dans la portion initiale de la voi d'accélération des ions, et les tubes de glissement impairs (75 de cette portion sont reliés à l'écran externe (4), les tubes de glissement paris (5) étant reliés à l'extrémité non bouclée de la première électrode interne (2), le premier tube de glissement (9) du côté de la source d'ions (14), dans la portion finale de la voie d'accélération des ions, et les tubes de glissement impairs (9) de cette portion sont reliés à l'extrémité non bouclée de la seconde électrode interne (3), les tubes de glissement pairs (11, 13) etant relies à l'écran externe (4), l'axe longitudinal des tubes de glissement (13, 5, 7, 9, 11) est disposé perpendiculairement à l'axe longitudinal de l'écran externe (4), les électrodes internes (2, 3) sont disposées de façon asymétrique par rapport à l'axe longitudinal de l'écran (4), l'axe de la premiere electrode interne étant disposé à une distance de l'axe longitudinal de l'écran externe (4) se situant entre 0,5 et 0,7 fois le rayon de la circonférence de l'écran externe en section droite, l'axe de la seconde électrode interne (3) étant disposé à une distance de l'axe longitudinal de l'écran externe (4) se situant entre 0,1 et 0,4 fois le rayon de la circonférence de l'écran externe en section droite, et le rapport du diamètre de la circonférence de la première électrode interne (2) en section droite au diamètre de la circonférence de la seconde électrode interne (3) en section droite étant de 1,5 à 2,5, et en ce que les électrodes internes (2, 3) sont reliées par un disque conducteur (16), fixé à l'écran externe (4) au moyen d'isolateurs (17).
2.- Accelérateur d'ions à haute fréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des tubes de glissement (31, 32, 11) constituant une voie supplémentaire d'accélération des ions, dans laquelle le premier tube de glissement (32) et tous les tubes de glissement impairs (11) suivants sont reliés à l'écran externe (4), les tubes de glissement pairs (31! sont reliés a l'extrémité non bouclée de la seconde électrode interne (3), l'axe longitudinal des tubes de glissement (31, 32, 11) est perpendiculaire à l'axe longitudinal des tubes de glissement (13, 5, 7, 9, 11) de la voie d'accélération principale, et un système magnétique (29) de changement de direction avec des éléments (34) de réglage de la longueur de sa voie, son entrée étant connectée au dispositif de sortie (15), et sa sortie, au premier tube de glissement (32) de la voie d'accélération supplémentaire.
3.- Accélérateur d'ions à haute fréquence selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les tubes de glissement (5) reliés à l'ex- trémité non bouclée de la première électrode interne (2) sont entourés par un écran conducteur (30), relié à l'écran externe (4) du résonateur accélérateur.
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FI853788A FI79924C (fi) | 1985-10-15 | 1985-10-01 | Hoegfrekvent jonaccelerator. |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8515255A FR2588714B1 (fr) | 1985-10-15 | 1985-10-15 | Accelerateur d'ions a haute frequence |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2588714A1 true FR2588714A1 (fr) | 1987-04-17 |
| FR2588714B1 FR2588714B1 (fr) | 1987-12-18 |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU207660U1 (ru) * | 2021-07-01 | 2021-11-09 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Институт теоретической и экспериментальной физики имени А.И. Алиханова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" | Многоапертурный согласующий канал с радиальной компрессией пучков ионов |
| RU208650U1 (ru) * | 2021-07-01 | 2021-12-29 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Институт теоретической и экспериментальной физики имени А.И. Алиханова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" | Многоапертурный ускоритель кластерных ионов |
| RU2794874C1 (ru) * | 2022-10-10 | 2023-04-25 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН) | Двухчастотный резонатор для блока высокочастотных переходов в поляризованных атомах водорода и дейтерия |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2038561A6 (en) * | 1969-03-19 | 1971-01-08 | Commissariat Energie Atomique | Improvements to a high frequency ion accele- - rator |
| FR2390069A1 (fr) * | 1977-05-05 | 1978-12-01 | Commissariat Energie Atomique |
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- 1985-10-01 FI FI853788A patent/FI79924C/fi not_active IP Right Cessation
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- 1985-10-10 DE DE19853536217 patent/DE3536217A1/de not_active Withdrawn
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Also Published As
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| FI853788A0 (fi) | 1985-10-01 |
| SE8504582L (sv) | 1987-04-04 |
| SE8504582D0 (sv) | 1985-10-03 |
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