HAL Id: jpa-00235100
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Submitted on 1 Jan 1955
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Mesure de la répartition des champs électromagnétiques dans une cavité résonnante
M. A. Septier
To cite this version:
M. A. Septier. Mesure de la répartition des champs électromagnétiques dans une cavité résonnante.
J. Phys. Radium, 1955, 16 (2), pp.108-114. �10.1051/jphysrad:01955001602010800�. �jpa-00235100�
MESURE DE LA
RÉPARTITION
DES CHAMPSÉLECTROMAGNÉTIQUES
DANS UNE
CAVITÉ RÉSONNANTE
Par M. A. SEPTIER.
Sommaire. 2014 Après avoir montré la possibilité de mesurer en valeurs relatives les champs électro- magnétiques à l’intérieur d’une cavité résonnante de forme quelconque par une méthode de pertur- bations, l’auteur décrit un montage expérimental simple qui permet cette mesure. La sensibilité et la
précision de la méthode sont déterminées grâce à l’emploi d’une cavité cylindrique calculable. L’auteur donne ensuite les premiers résultats obtenus avec une cavité du type « rhumbatron ».
16-, 1955,
Introduction.- La
répartition
deschamps électromagnétiques
stationnaires à l’intérieur d’une cavité résonnante n’est calculable que dans le cas de cavités de formesimple (parallélépipède rectangle, cylindre circulaire, cylindres coaxiaux, sphère
etformes dérivées obtenues par sectionnement des cavités
précédentes).
Des méthodes de calcul numé-rique approché
ont été utilisées pour tracer la carte deschamps
dans les cavités rentrantes desklystrons,
mais elles sont
longues
et, nécessitant deshypothèses
de
départ simplificatrices,
elles ne sontqu’appro-
chées.
Pour les cavités de forme
complexe,
commecelles
qui
sont utilisées dans les accélérateurs linéaires departicules lourdes,
aucun outil mathé-matique
commode ne seprésente,
une méthodede mesure a dû être recherchée.
Principe
de la méthode. - La déformation de laparoi
conductrice d’une cavité résonnante provoque unevariation Ai
de lafréquence f o
derésonance de cette cavité. Müller
[1]
et Grivet[21
ont donné
l’expression
de lavariation àf
due àcette
perturbation
où v
représente
le volume de la déformation(supposé
infiniment
faible),
V celui de la cavitéet
s E2 d Vle double de
l’énergie électromagnétique
W emma-gasinée
dans la cavitéDe
même,
l’introduction dans une cavité d’unpetit
obstacle conducteur de volume vcorrespond
encore à une
perturbation
de larépartition
deschamps
dans un volume v et, parsuite,
lafréquence lova
varierde à f, à/
étant une fonction deschamps
Eet H. Par
suite,
onpeut
songer, en mesurant la valeur de cette variationA/ lorsqu’on déplace
l’obstacle à l’intérieur de la
cavité,
en déduire la carte deschamps électromagnétiques
cherchée.Müller
[1],
Maier et Slater[3]
ont calculé dans lecas d’une
sphère
etd’ellipsoïdes
de révolution autour de l’un ou de l’autre de leurs axes la valeur de cetteperturbation A/.
Ilssupposent
pour cela les dimen- sions de l’obstaclepetites
devant lalongueur d’onde,
et sont ramenés par suite à des calculs de
pertur-
bations dans des
champs
considérés comme cons-tants dans la
région
environnante. Partant alors de la formule(1)
ils calculent tout d’abord la varia- tion infinitésimale defréquence, 1/ apportée
parune variation de volume de l’obstacle
plongé
dansun
champ
uniforme ,E(ou H), puis
enintégrant l’expression obtenue, lorsque
son volume varie de o à v, ils arrivent àl’expression
de lapertur-
bation
globale. Ayant
les valeursde Ai
pour unchamp
.Epuis
pour unchamp H,
leprincipe
desuperposition permet
de calculer laperturbation
totalé.
Pour une
sphère
de rayon a, enprenant
on a alors
ou
Une
petite sphère
ne pourrarenseigner
que sur les variations del’expression (E 2 H 2 dans les
régions
où lechamp
H estnul,
on aura un moyen de connaître larépartition
duchamp électrique
Eseul.
C’est,
enparticulier,
le cas de la zone axialedes cavités résonnant sur un mode
E,
et des cavités des accélérateurs linéaires departicules.
On aurasur
l’axe,
lechamp électrique
radial y étant nul :D’autres obstacles
peuvent
êtreenvisagés
etl’on
conçoit qu’une
courtetige métallique
très fineperturbera
seulement lacomposante
duchamp
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:01955001602010800
109
électrique qui
lui estparallèle,
tandisqu’un disque plan
infiniment mincen’agira
que sur les compo- santesélectriques parallèles
à sasurface,
ou sur lacomposante magnétique qui
lui seraitperpendicu-
laire. Ces obstacles
peuvent
être assimilés à desellipsoïdes
de révolutionlongs
ouaplatis,
d’oùl’intérêt des calculs de Maier et Slater.
Les
résultats,
dans le cas d’uneellipticité g
trèsfaible,
sont les suivants : .Obstacles en «
aiguille
». - Lacomposante
duchamp électrique parallèle agit pratiquement
seule.Pour g
=o,03,
parexemple,
l’action d’un telobstacle,
dedemi-longueur
a, estégale
ào,ig,5
foiscelle de la
sphère
de rayon aagissant
sur la mêmecomposante.
L’action deschamps électriques
perpen- diculaires etmagnétiques parallèles
ouperpendi-
culaires ne
dépasse
pas encore 2. o-3 fois celle de lasphère envisagée.
Obstacles en «
disque
». -Pour P
dequelques
io-3l’action sur un
champ électrique perpendiculaire
et sur un
champ magnétique parallèle
à la surface dudisque
estnulle;
celle sur unchamp électrique parallèle
etmagnétique perpendiculaire
estégale
dans
chaque
cas ào,43
fois celle de lasphère
de mêmerayon. Ici
l’épaisseur
dudisque joue
sur les autrescomposantes
un rôleplus
sensible que dans le cas d’un obstacle enaiguille :
il faudratoujours
s’attacherà avoir des
disques
extrêmement minces.En
résumé,
si l’ondéplace
dans une cavité de.révolution les obstacles
envisagés plus haut,
onpourra tracer diverses cartes :
--- avec la
sphère,
celle de ,- avec
l’aiguille,
parexemple,
celle depuis
celle deén
explorant
une directionperpendiculaire
à laprécédente;
-
enfin,
avec ledisque,
Dans le cas
simple
oùHz
= o, trois cartes suffi-ront à déterminer la
répartition
deschamps E,,,
ET
etHT.
Toutefois,
nous n’aurons cetterépartition qu’en
valeur relative. Pour avoir une échelle
arbitraire,
on
peut prendre,
comme Maier etSlater,
2W = i,ou
plus simplement (après
mesure deEH
surl’axe)
Dispositif expérimental.
2013 La source hautefréquence
utilisée est unklystron
reflex K.R,117.Un
générateur
de tension en dent de sciepermet,
par
application
d’une telle tension au réflecteur duklystron,
d’obtenir unbalayage
enfréquences
linéaire et
réglable,
de l’ordre dequelques méga-
hertz.
Une
partie
de lapuissance
hautefréquence dispo-
nible est
envoyée
à un ondemètre deprécision (CSF
X01)
à travers un atténuateur. La tension détectée aux bornes d’une bouclecouplée
à l’onde-mètre est
amplifiée puis envoyée
sur l’un desampli-
ficateurs d’un
oscilloscope
bicourbe dont lebalayage
horizontal est
synchronisé
avec la tensionappliquée
au réflecteur du
klystron.
Le passage par la réso-nance se traduit par une courbe
d’absorption
clas-sique
trèspointue (le
facteur dequalité
de l’onde-mètre est d’environ i5
ooo).
Une autrepartie
de lapuissance
hautefréquence
estenvoyée
dans lacavité étudiée. Le courant
prélevé
par une boucle est détectépuis
lesignal
résultantenvoyé
sur ledeuxième
amplificateur
del’oscilloscope.
Si lafréquence
de résonance de lacavité, f o,
se trouvedans la bande des
fréquences
d’oscillation duklys-
tron,
une deuxième courbe de résonanceapparaît.
En faisant coïncider les
plans
desymétrie
des deuxcourbes,
par action sur le tambourgradué
de l’onde-mètre,
on mesure très facilement lafréquence
derésonance
f o
de la cavité[4].
La cavité
cylindrique
étudiée enpremier
lieuavait un
coefficient Q
de l’ordrede 10 000, après
polissage poussé
etargenture
desparois.
La sensi-bilité du
montage permettait
despointés reproductibles à l /1 oe
de division del’ondemètre,
c’est-à-dire à à 0,02 MHzprès.
Le
déplacement
de l’obstacle dans la cavité s’effectue verticalement.L’obstacle, bille, aiguille
ou
disque,
est collé à un fil denylon
de8 /Iooe
mmde diamètre tendu sur trois
poulies.
Un index soli- daire du filpermet
la mesure desdéplacements
à 0,1 mm
près.
Lafigure
i montre ledispositif utilisé;
la cavitécylindrique
étudiée enpremier
lieu y est mise en
place.
Lapotence portant
lespoulies
et le filpeut glisser latéralement,
ledépla-
cement
pouvant
êtreégalement
mesuré à 0,1 mmprès.
Le fil reste vertical durant cedéplacement.
Le
calage
des cavités est tel que leur axe(ou
leurplan
desymétrie
s’ils’agit
de cavités àsymétrie cylindrique)
estparfaitement parallèle
audépla-
cement de l’obstacle.
Étude
de larépartition
duchamp
dans unecavité
cylindrique
circulaire. - 1. Nous avonstout d’abord construit une cavité
cylindrique
résonnant sur un mode
simple,
maisayant
des noeudsde
champ électrique longitudinal
E . Nous avonschoisi le mode
E102.
Maier et Slater s’étaient bornés à vérifier leurs formules donnant
Ai,
avec une cavité résonnantavec le mode
,Eolo,
où lechamp Ez
est uniformeentre les faces
circulaires,
cequi
est un casplus simple.
Les dimensions de notre cavité étaient les sui- vantes :
Le calcul donne
10
= 3 ooo MHz. Mais l’introduction des boucles decouplage
et unelégère
erreur sur la réalisation de 0 amènentf o
à lavaleur f o
= 2g78
MHz.L’introduction du fil de
nylon
neperturbait prati- quement
pasf o.
La cavité était conçue démontable : deuxflasques planes
serrées fortement sur uncylindre.
Du centre à la
périphérie
dechaque flasque
unefente de
o,3
mm étaitménagée
dans un mêmeplan
méridien,
pour ledéplacement
latéral du filporte- obstacle,
sans avoir à démonter la cavité et àchanger
les conditions d’alimentation. Cette fente ne
pertur-
bait pas le mode
excité,
leslignes
de courant étantradiales. L’excitation se faisait par deux trous
percés
au milieu de lacavité,
à unedistance L
des2
faces,
sur deuxgénératrices, opposées,
afin d’éviter les termesperturbateurs pouvant provenir
du modeparasite H211 (ici
3 025MHz).
Les
équations
deschamps
dans cette cavitésont les
suivantes,
avec la conventionE;, max
= 1où a est le rayon de la cavité et L sa
longueur (fig. 2).
Nous voyons que les
champs
sont de révolution autour de Oz et que troiscomposantes
seulement subsistent :Ez, E,
etHe.
Sur l’axe de la
cavité,
la méthode depertur-
bations
permettra,
avec unebille,
de connaîtreEz.
En
dehors,
on obtiendra seulement la fonctionsoit ici
Nous voyons immédiatement
qu’il
existe uncylindre
de rayon tel
que àf
=const., quel
que soit z. Un calculgraphique
donne poursoit si a = 50 mm
Il semble
qu’une
bille de trèspetit
diamètre soitabsolument nécessaire pour accroître la
précision
des
pointés,
mais on se heurte alors au manque de sensibilité duphénomène.
Nous avonspris
un dia-mètre de bille de cp = 5 mm, soit ici
(),,, longueur
d’onde dans lacavité), après quelques
essais
préliminaires.
La variationA/max
est alorsde
1,6 MHz
sur l’axe.111
Les courbes obtenues sont
parfaitement reproduc- tibles,
et l’on obtient facilement lepointé
desmaxima ou minima à un demi-millimètre
près.
Lafigure
3 donne la variationde Ai
sur l’axe et lesfigures
3b,
c,d,
e, les variations deFI (z, p)
pourp a
= i, 15
4 2 43 et 2 -
8 Nous avonsporté plusieurs
échellesd’ordonnées : à
gauche
les divisions del’ondemètre,
le zéro
correspondant
à D =25,33;
à droite leslongueurs
d’ondecorrespondantes
etles àf
enmégahertz (une
division de l’ondemètrecorrespond
à 0,2
MHz).
Enfin au centre une échellegraduée
de o à
qui permet
dereporter
sur toutes ces courbesles
points calculés,
avecl’hypothèse E; ma’B. ==
1 sur l’axe.On voit
qu’il
y a un accord excellent entreF2(z)
et la courbe
théorique
en cos2 2 7rL ;
de même l’accord est très bonpour P - I
a 4 entre la courbeF, (z, p
a-)
4/et les
points calculés,
ainsi quepour ?
a= 3
4et P
cc7.
bL’accord est un peu moins bon
pour â 2
L’erreurdue à l’influence du diamètre assez fort de la bille est ici la
plus grande :
il y a erreur maximum dans larégion
centrale où la fonctionvarie le
plus rapidement.
Cephénomène
entraîneégalement
une erreur sur ladétermination
dupoint
A oùàf
estindépendante
de z :l’expérience
donne
à/
= const. pour p = 27 mm -!- 0,2, soit unrayon
supérieur
de 1 mm à celui fourn i par le calcul.2. Nous avons
exploré également
la cavité avecdes
aiguilles cylindriques
très finesrapport a,
a trèsfaible,
d’où assimilation à desellipsoïdes
de révo-lution,
enpremière approximation).
Pour
cela,’un
fild’argent
est collé sur le fil.Nous avons
essayé
successivement deux fils : l’unTl
de rayono,6
mm et delongueur
1 o mm,l’autre
T2
de rayon o,15 mm et delongueur
1 o mmégalement.
. Pour chacun
d’eux,
surl’axe,
la variationf1fl
suitbien une loi en
cos2,
laprécision
étant meilleure pourl’aiguille T2 plus
fine. Dans ce cas, lapertur-
bation est de
1,6 MHz,
c’est-à-dire la même que celle de lasphère
de 5 mm de diamètre.D’après
Maier et
Slater,
pour le casconsidéré,
on devrait avoir pour uneellipticité
deo,03
soit
C’est donc une vérification excellente des formules données par ces auteurs.
Les
pointés
des maxima etminima
sur le gra-phique
donnantAI(z)
se font avec autant depré-
cision
qu’avec
une bille.En dehors de
l’axe, l’aiguille
ne devrait mesurerque le
champ Es.
Maisl’ellipticité
nonnégligeable
de
T, -
a =0112
introduit desperturbations
duesà l’action de E et H.
Par
suite, les à/
mesurés sont nulspour p - 7
et non
pour f
= 1. Si l’onporte
sur le même gra-phique (fig. 4)
les valeursde à i 3 pour z = L
2 en
fonction
de f,
on trouve la courbe 1. Pour l’ai-a
guille T2,
on obtient la courbe2, qui
décroît moinsvite,
et si l’onporte
lespoints
de la courbeJ§ (2,Q fl )
qui
donne les variationsthéoriques
deE;max
avec§ ,
on voit que pour
l’aiguille T 2 les
termesperturbateurs peuvent
être considérés commenégligeables :
en pre-nant une
aiguille d’ellipticité
suffisamment faible(de
I à 3 pourI oo),
on a le moyen de mesurer en toutpoint
d’unecavit!,
lechamp électrique
dont lacomposante
estparallèle
augrand
axe del’aiguille.
3.
Enfin,
nous avonsexpérimenté
avec desdisques plans
très minces(ellipticité 4
pouroo).
La fixationde tels
disques perpendiculairement
au fil est trèsdifficile. Nous y sommes parvenus en soudant au
centre du
disque
unpetit
tubed’argent
très court(fig. 5)
danslequel
le fil estpincé
en A etB,
maisnous n’avons pu éliminer les termes aberrants dus à
E::,.
Surl’axe, où àf
devrait êtrenulle,
on aun résidu -à variation sinusoïdale
non négligeable.
Le calcul des termes correctifs sur
l’axe,
effectuéavec les formules de Maier et Slater doune :
io pour le
disque d’ellipticité trop
forte ici(4
pour100)
20 pour
l’aiguille
centrale delongueur
2 mmsoit dans notre cas une variation totale de
L’expérience
donne sur l’axece
qui
constitue encore une très bonne vérification des formulesthéoriques.
Étude
de larépartition
duchamp électrique
dans une cavité rentrante à deux tubes. - Les accélérateurs à ions à ondes stationnaires les
plus
récents
comportent
une cavitécylindrique
réson-nant sur le mode
,Eolo,
sur l’axe delaquelle
sontdisposés
des tubes deglissement
delongueur
variantavec la vitesse des ions
(fig. 6).
L’accélération a lieudans
l’espace compris
entre les tubes. L’ensemblepeut
doncêtre décomposé
en cavités élémentairesjuxtaposées,
delongueur
L telles queCI, C2,
...par des
plans perpendiculaires
à l’axe de la cavité.L’absence totale de
champ électrique
radial dans cesplans permet
de les matérialiser par desparois
conductrices pour l’étude d’une cavité élémen- taire. Dans la cavité
globale,
on-place
dans cesplans
lestiges
de fixation des tubes centraux.Des méthodes de calcul
approché permettent
de déterminer de manièreapproximative
lechamp longitudinal Ez
sur l’axe d’une cavitéélémentaire,
si l’on suppose connue la
répartition
deEz
sur uncylindre quelconque.
Des essais ont été tentés[5], [6]
en
supposant
que cechamp
est constant entre les bords des tubes. D’autrepart,
lechamp
radialEu
dans le
proche voisinage
del’axe,
est calculé par la relation del’opti q ue gaussienne : Ep
-p F Ez.
.Une
première approximation
du mouvementdes ions dans le
proche voisinage
de l’axepeut
ainsi être
obtenue;
mais les faisceaux d’ionsinjectés
à faible
énergie divergent
sous l’influence duchamp
radial et
occupent progressivement
toutl’espace
intérieur des tubes : il faut donc
pouvoir
calculerles
trajectoires
dans uneoptique
nongaussienne,
La connaissance des
champs Ez
etE,
dans l’étenduetotale de l’interstice est alors
primordiale.
Deplus,
113
nous avons
voulu déterminerl’importance
de l’effetde
pointe
dû aux arêtes du tube deglissement (et
vérifier ainsi le bien-fondé de
l’hypothèse simplifi-
catrice
invoquée
dans la méthode de calcul citéeplus haut).
Nous avons construit une cavité rentrante à deux tubes
symétriques ayant
les dimensions sui- vantes(fig. 7) :
r2 =33 inm, rl =6,5
mm, To = 5 mm,L ==
3 2,4
mmet g
=16,2
mm. Cette cavité résonnesur le mode
Eolo,
fortementperturbé
par lapré-
sence de l’intersticé pour
10
= 3 ooo MHz. Elle a étéfendue suivant deux
génératrices opposées,
et sui-vant un rayon de chacune des faces
planes,
cesdernières fentes étant dans un même
plan
méri-dien. Ce double
système
de fentespermet l’explo-
ration
complète
d’unplan
méridien dans deux direc-tions
perpendiculaires,
sansperturber
leslignes
de courants circulant dans les
parois.
Avec le
montage
décritplus haut,
et endéplaçant
une
aiguille d’argent
de 2 mm delongueur
et de0,05 mm,
de diamètre(ellipticité 2,5
pourioo),
nous avons pu étudier la
répartition
deE-,
et deEp
dans toute la cavité et en tracer les cartes
complètes.
La
figure
8 montre parexemple,
les courbeséqui- champ,
numérotées selon les valeurs deEj
avecla convention :
E2
== 1 au centre de l’interstice.L’examen des
cartes
conduit aux conclusions suivantes :10 Po ur
Ez :
.- Dans un interstice
large (de
l’ordre de gran- deur du diamètre destubes),
lechamp Ez
restepratiquement
constant sur une distanceégale
à la moitié de l’interstice et
présente
deux maxima peuaccentués, supérieurs
à i, aux extrémités dece
palier (fig. 9);
- La valeur du
champ
est encore de 0,7 àl’aplomb
des extrémités des
tubes,
mais ne s’étendpratique-
ment à l’intérieur de ceux-ci que sur une
longueur égale
à leur rayon;- Dès
qu’on
s’écarte del’axe,
les deux maxima deEz
croissent très vite ens’écartant,
alors que la valeur deEz
dans leplan
desymétrie
de la cavité décroît d’abord lentement pour rà
ro;puis
très vitepour r > rl. Les maxima sont les
plus
élevés dans levoisinage
des extrémités destubes,
et surtout à l’extérieur deceux-ci ;
lechamp Ez peut
yprendre
des valeurs
supérieures
à 2(EN
>4) (fig. 10).
Cet effet de
pointe peut
êtrelégèrement
atténuéen arrondissant le bord des tubes
(E2
à 3 au lieude
E)
>4). Malgré’ cela,
pour r = ro, lechamp E,
entre les tubes n’est pas une
constante,
mais estuni f or-
mément décroissant
lorsqu’on
va du bord du tube auplan
desymétrie,
etprésente
au milieu de l’intersticeune valeur voisine de o,9. Le calcul du
champ
surl’axe devra donc être réalisé à
partir
d’unerépar-
tition
plus proche
de laréalité;
cetterépartition
conduira certainement à des formules
approchées plus complexes [7]3;
- En dehors des
tubes,
larépartition
de Ez, tend à devenir celle du mondeE010 lorsqu’on s’ap- proche
de laparoi cylindrique,
et on la retrouvepour
=0,75
environ. Lechamp E=
est maximumsur les
parois planes
pour r = 13 mm; sa valeur est alors deEz# o,3.
Lechamp
sur l’axe est donctrois fois
plus
fort que cechamp
sur laparoi, qui, rappelons-le,
est le seul mesurable par les méthodes ordinaires et dans le cas d’ondesplus longues (méthode
dumicrophone
condensateur enparti- culier).
Cettepossibilité
de mesure duchamp
enun
point
de lacavité,
nonplus
en valeurrelative,
mais en valeur
absolue, peut
doncpermettre,
si lebesoin s’en fait
sentir,
degraduer
nos cartes envaleurs,
absolues.
20
Champ Eu. -
Lechamp jEp
doit son existenceà la
présence
de la coupure : on doit donc s’attendre à une localisationpoussée
de cechamp.
L’examendes cartes montre que
Bp
varie lentement dans l’intérieur destubes, n’atteignant
encore que.Ep
=o, 3
pour r
== ’"’, qu’il prend
sesplus
fortes valeurs dans2
le
voisinage
desplans
limitant les tubes à l’extérieur de ceux-ci(valeurs
de l’ordre de1,5
à2).
Sur laparoi
intérieure des
tubes,
auvoisinage
de la coupure, il atteint environ 0,7. Il est nul surl’axe,
dans leplan
desymétrie,
sur uneligne joignant
les extré- mités des tubes et sur les faces enregard
de ceux-ci.Manuscrit reçu le 22 juin I954.
BIBLIOGRAPHIE.
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