Les structures accélératrices interdigitales de type H

(1)

HAL Id: jpa-00243206

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00243206

Submitted on 1 Jan 1969

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L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

Les structures accélératrices interdigitales de type H

A. Chabert, B. Veyron, G. Voisin

To cite this version:

A. Chabert, B. Veyron, G. Voisin. Les structures accélératrices interdigitales de type H. Re- vue de Physique Appliquée, Société française de physique / EDP, 1969, 4 (2), pp.179-180.

�10.1051/rphysap:0196900402017900�. �jpa-00243206�

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179 LES STRUCTURES ACCÉLÉRATRICES INTERDIGITALES DE TYPE H A. CHABERT, ^B. ^VEYRON ^et ^G. VOISIN,

Institut de Physique Nucléaire, Université de Lyon.

Résumé. 2014 Un nouveau type de structures accélératrices, ^dites interdigitales ^de type ^H, caractérisées par leurs faibles dimensions transversales et leur excellente résistance shunt ^aux basses énergies, paraît ^bien adapté à l’accélération des ions lourds. Nous présentons ^les ^carac- téristiques essentielles de ce type ^de structures : propriétés électriques ^et dynamique ^des particules.

Abstract.

^-

A new type ^of accelerating structure, namely ^{the H} type interdigital ^structure,

seems well suited for heavy ion linear accelerators due to their small transverse dimensions and good ^shunt impedance. ^We give ^{the main} characteristics of this type ^of structure : electrical characteristics and particle dynamics.

REVUE DE PHYSIQUE APPLIQUÉE ^TOME 4, JUIN 1969,

1. Caractéristiques générales des structures IH.

^-

La structure interdigitale ^de type H, ^structure IH,

consiste en une cavité de révolution chargée par des tubes de glissements ^{fixés à} ^un système interdigital

de supports. Êlle appartient ^à ^la catégorie plus générale ^des structures de type ^H ^dans lesquelles ^le champ accélérateur est engendré, êntre les faces des tubes de glissement, par les ^courants intenses circulant dans les supports. ^Comme ^toutes ^les structures H, êlle

est caractérisée _{par :} i) ^un champ magnétique longi-

tudinal important (notamment ^au voisinage des sup-

ports) ^{dont la} présence impose ^au champ ^accéléra-

teur E de s’annuler sur les plaques ^de ^bout ^{de la}

cavité. On peut cependant espérer ^obtenir ^une répar-

tition de champ plate ^au moyen de systèmes ^de ^termi-

naisons spéciaux permettant ^de satisfaire les condi- tions aux limites avec un champ accélérateur non

nul; ii) ^un ^mode ^de fonctionnement ^en ph)2 ^car,

pour la même bande passante, ^{le mode} ayant ^la plus

basse fréquence correspond ^{à des} champs déphasés ^{due n}

entre deux _gaps successifs. On peut ^donc ^admettre des gjL importants, ^de ^l’ordre ^de 0,5, ^sans ^{altérer le}

facteur de temps ^de transit; iii) ^un diamètre relati- vement faible à fréquence donnée. L’étude _{de la pro-}

pagation ^du ^mode ^TEM ^le long ^des supports (parcourus

sur toute leur longueur par de forts courants) ^montre

que leur longueur ^doit ^être ^nettement inférieure à À/4,

donc le diamètre de la cavité à ;~/2. Ainsi, pour ûne structure IH, D/À ~ ¹⁰ ^à ²⁰ %, êt pour ûn Alvarez

D)h

⁼

⁷⁰ % (Berkeley) ; iv) ^une bonne localisation du champ électrique ^{dans la} ^zone utile entraînant des valeurs élevées du rapport R,,10 (Rs

⁼

Ez dz 2P,

Q surtension, ^P pertes ^dans ^les parois). ^Par exemple,

dans la même gamme d’énergie, R~)Q = ^{10-2 M£2}

pour la ^structure IH et 3,7 ^X ^{10-4 M£2} pour la cavité Alvarez du prestripper ^de Berkeley. La surtension est

assez faible à cause de la petite ^dimension ^des supports;

ainsi, ^dans ^la même gamme d’énergie, Qm z ¹⁰⁴ (30 MHz) ^et QAlvarez ^{= 135} ⁰⁰⁰ (70 ^MHz Berkeley).

On trouve alors _{que la} résistance shunt présente ^un optimum (compromis R,,IQ, Q,) favorisant les struc- tures IH (par rapport ^à l’Alvarez) ^{dans la} gamme des basses énergies (jusqu’aux ^environs ^de ¹⁰ MeV/A).

II. Géométrie transversale d’une structure IH.

^-

La structure IH, ^se prêtant difficilement à l’obtention d’une répartition plate ^du champ accélérateur, ^nous

avons cherché à obtenir ^une loi de champ sinusoïdale,

le déphasage par unité de longueur ~ ^est ^alors ^constant

et pH = ^7t (H longueur ^{de la} cavité). ^La géométrie

transversale est alors déterminée en assimilant chaque

tronçon élémentaire de cavité accélératrice au tronçon d’une cavité périodique correspondant ^au ^même ~.

Une étude expérimentale systématique ^{de la} ^structure

FIG. 1.

périodique (courbes ^de dispersion) ^a fourni les abaques

nécessaires à la détermination, pour ^une géométrie longitudinale donnée, ^de géométries transversales _pos-

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/rphysap:0196900402017900

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180 sibles. Le choix _{n’est pas} unique, ^une ^étude systéma- tique ^de ^la résistance shunt (en cours) permettra ^de choisir la meilleure solution (vis-à-vis ^des pertes) compatible ^avec ^les possibilités de réalisation mé-

canique.

Notons pour conclure _{que les} géométries ^transver-

sales obtenues à partir ^de ^nos abaques conduisent à des maquettes résonnant à la bonne fréquence ^mais présentant ^une répartition ^de champ nécessitant de

légères ^retouches ( fig. 1).

III. Dynamique ^des particules dans les structures IH à répartition sinusoïdale du champ.

^-

^La répartition

sinusoïdale du champ accélérateur dans la structure IH n’entraîne pas ^un allongement ^de l’accélérateur puisque

son fonctionnement en ph)2 permet ^un g)L z 1/2,

et qu’en première approximation ^le rapport ^de ^sa

longueur ^{à celle} d’une cavité Alvarez couvrant la même gamme d’énergie êt fonctionnant en ~3~ âvec g)L sr 1 )4 êst ~~4, donc favorable.

Une telle répartition ^de champ pouvait, par contre, faire craindre l’apparition ^de difficultés en ce qui

concerne l’acceptance ^de phase; ^les ^résultats (fin. 2)

montrent que la forme de la courbe d’acceptance ^est changée ^mais ^demeure largement suffisante, ^{du moins}

Les structures accélératrices interdigitales de type H

HAL Id: jpa-00243206

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00243206

Submitted on 1 Jan 1969

HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

Les structures accélératrices interdigitales de type H

A. Chabert, B. Veyron, G. Voisin

To cite this version:

A. Chabert, B. Veyron, G. Voisin. Les structures accélératrices interdigitales de type H. Re- vue de Physique Appliquée, Société française de physique / EDP, 1969, 4 (2), pp.179-180.

�10.1051/rphysap:0196900402017900�. �jpa-00243206�

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LES STRUCTURES ACCÉLÉRATRICES INTERDIGITALES DE TYPE H A. CHABERT, B. VEYRON et G. VOISIN,

Institut de Physique Nucléaire, Université de Lyon.

Abstract.

A new type of accelerating structure, namely the H type interdigital structure,

seems well suited for heavy ion linear accelerators due to their small transverse dimensions and good shunt impedance. We give the main characteristics of this type of structure : electrical characteristics and particle dynamics.

REVUE DE PHYSIQUE APPLIQUÉE TOME 4, JUIN 1969,

1. Caractéristiques générales des structures IH.

La structure interdigitale de type H, structure IH,

consiste en une cavité de révolution chargée par des tubes de glissements fixés à un système interdigital

de supports. Elle appartient à la catégorie plus générale des structures de type H dans lesquelles le champ accélérateur est engendré, entre les faces des tubes de glissement, par les courants intenses circulant dans les supports. Comme toutes les structures H, elle

est caractérisée par : i) un champ magnétique longi-

tudinal important (notamment au voisinage des sup-

ports) dont la présence impose au champ accéléra-

teur E de s’annuler sur les plaques de bout de la

cavité. On peut cependant espérer obtenir une répar-

tition de champ plate au moyen de systèmes de termi-

naisons spéciaux permettant de satisfaire les condi- tions aux limites avec un champ accélérateur non

nul; ii) un mode de fonctionnement en ph)2 car,

pour la même bande passante, le mode ayant la plus

basse fréquence correspond à des champs déphasés due n

entre deux gaps successifs. On peut donc admettre des gjL importants, de l’ordre de 0,5, sans altérer le

facteur de temps de transit; iii) un diamètre relati- vement faible à fréquence donnée. L’étude de la pro-

pagation du mode TEM le long des supports (parcourus

sur toute leur longueur par de forts courants) montre

que leur longueur doit être nettement inférieure à À/4,

donc le diamètre de la cavité à ;~/2. Ainsi, pour une structure IH, D/À ~ 10 à 20 %, et pour un Alvarez

D)h

70 % (Berkeley) ; iv) une bonne localisation du champ électrique dans la zone utile entraînant des valeurs élevées du rapport R,,10 (Rs

Ez dz 2P,

Q surtension, P pertes dans les parois). Par exemple,

dans la même gamme d’énergie, R~)Q = 10-2 M£2

pour la structure IH et 3,7 X 10-4 M£2 pour la cavité Alvarez du prestripper de Berkeley. La surtension est

assez faible à cause de la petite dimension des supports;

ainsi, dans la même gamme d’énergie, Qm z 104 (30 MHz) et QAlvarez = 135 000 (70 MHz Berkeley).

On trouve alors que la résistance shunt présente un optimum (compromis R,,IQ, Q,) favorisant les struc- tures IH (par rapport à l’Alvarez) dans la gamme des basses énergies (jusqu’aux environs de 10 MeV/A).

II. Géométrie transversale d’une structure IH.

La structure IH, se prêtant difficilement à l’obtention d’une répartition plate du champ accélérateur, nous

avons cherché à obtenir une loi de champ sinusoïdale,

le déphasage par unité de longueur ~ est alors constant

et pH = 7t (H longueur de la cavité). La géométrie

transversale est alors déterminée en assimilant chaque

tronçon élémentaire de cavité accélératrice au tronçon d’une cavité périodique correspondant au même ~.

Une étude expérimentale systématique de la structure

FIG. 1.

périodique (courbes de dispersion) a fourni les abaques

nécessaires à la détermination, pour une géométrie longitudinale donnée, de géométries transversales pos-

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/rphysap:0196900402017900

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sibles. Le choix n’est pas unique, une étude systéma- tique de la résistance shunt (en cours) permettra de choisir la meilleure solution (vis-à-vis des pertes) compatible avec les possibilités de réalisation mé-

canique.

Notons pour conclure que les géométries transver-

sales obtenues à partir de nos abaques conduisent à des maquettes résonnant à la bonne fréquence mais présentant une répartition de champ nécessitant de

légères retouches ( fig. 1).

III. Dynamique des particules dans les structures IH à répartition sinusoïdale du champ.

La répartition

sinusoïdale du champ accélérateur dans la structure IH n’entraîne pas un allongement de l’accélérateur puisque

son fonctionnement en ph)2 permet un g)L z 1/2,

et qu’en première approximation le rapport de sa

longueur à celle d’une cavité Alvarez couvrant la même gamme d’énergie et fonctionnant en ~3~ avec g)L sr 1 )4 est ~~4, donc favorable.

Une telle répartition de champ pouvait, par contre, faire craindre l’apparition de difficultés en ce qui

concerne l’acceptance de phase; les résultats (fin. 2)

montrent que la forme de la courbe d’acceptance est changée mais demeure largement suffisante, du moins

pour des cavités assez longues. Les problèmes de

focalisation radiale sont par contre simplifiés du côté

de l’injection (fonctionnement à fréquence faible,

montée lente du champ) et il semble possible d’utiliser

les quadrupôles magnétiques dès environ 60 kV/A

pour une fréquence de 25 à 30 MHz, un qlm de 0,06

LES STRUCTURES ACCÉLÉRATRICES INTERDIGITALES DE TYPE H A. CHABERT, ^B. ^VEYRON ^et ^G. VOISIN,

A new type ^of accelerating structure, namely ^{the H} type interdigital ^structure,

seems well suited for heavy ion linear accelerators due to their small transverse dimensions and good ^shunt impedance. ^We give ^{the main} characteristics of this type ^of structure : electrical characteristics and particle dynamics.

REVUE DE PHYSIQUE APPLIQUÉE ^TOME 4, JUIN 1969,

La structure interdigitale ^de type H, ^structure IH,

consiste en une cavité de révolution chargée par des tubes de glissements ^{fixés à} ^un système interdigital

de supports. Êlle appartient ^à ^la catégorie plus générale ^des structures de type ^H ^dans lesquelles ^le champ accélérateur est engendré, êntre les faces des tubes de glissement, par les ^courants intenses circulant dans les supports. ^Comme ^toutes ^les structures H, êlle

est caractérisée _{par :} i) ^un champ magnétique longi-

tudinal important (notamment ^au voisinage des sup-

ports) ^{dont la} présence impose ^au champ ^accéléra-

teur E de s’annuler sur les plaques ^de ^bout ^{de la}

cavité. On peut cependant espérer ^obtenir ^une répar-

tition de champ plate ^au moyen de systèmes ^de ^termi-

naisons spéciaux permettant ^de satisfaire les condi- tions aux limites avec un champ accélérateur non

nul; ii) ^un ^mode ^de fonctionnement ^en ph)2 ^car,

pour la même bande passante, ^{le mode} ayant ^la plus

basse fréquence correspond ^{à des} champs déphasés ^{due n}

entre deux _gaps successifs. On peut ^donc ^admettre des gjL importants, ^de ^l’ordre ^de 0,5, ^sans ^{altérer le}

facteur de temps ^de transit; iii) ^un diamètre relati- vement faible à fréquence donnée. L’étude _{de la pro-}

pagation ^du ^mode ^TEM ^le long ^des supports (parcourus

sur toute leur longueur par de forts courants) ^montre

que leur longueur ^doit ^être ^nettement inférieure à À/4,

donc le diamètre de la cavité à ;~/2. Ainsi, pour ûne structure IH, D/À ~ ¹⁰ ^à ²⁰ %, êt pour ûn Alvarez

⁷⁰ % (Berkeley) ; iv) ^une bonne localisation du champ électrique ^{dans la} ^zone utile entraînant des valeurs élevées du rapport R,,10 (Rs

Q surtension, ^P pertes ^dans ^les parois). ^Par exemple,

dans la même gamme d’énergie, R~)Q = ^{10-2 M£2}

pour la ^structure IH et 3,7 ^X ^{10-4 M£2} pour la cavité Alvarez du prestripper ^de Berkeley. La surtension est

assez faible à cause de la petite ^dimension ^des supports;

ainsi, ^dans ^la même gamme d’énergie, Qm z ¹⁰⁴ (30 MHz) ^et QAlvarez ^{= 135} ⁰⁰⁰ (70 ^MHz Berkeley).

On trouve alors _{que la} résistance shunt présente ^un optimum (compromis R,,IQ, Q,) favorisant les struc- tures IH (par rapport ^à l’Alvarez) ^{dans la} gamme des basses énergies (jusqu’aux ^environs ^de ¹⁰ MeV/A).

La structure IH, ^se prêtant difficilement à l’obtention d’une répartition plate ^du champ accélérateur, ^nous

avons cherché à obtenir ^une loi de champ sinusoïdale,

le déphasage par unité de longueur ~ ^est ^alors ^constant

et pH = ^7t (H longueur ^{de la} cavité). ^La géométrie

tronçon élémentaire de cavité accélératrice au tronçon d’une cavité périodique correspondant ^au ^même ~.

Une étude expérimentale systématique ^{de la} ^structure

périodique (courbes ^de dispersion) ^a fourni les abaques

nécessaires à la détermination, pour ^une géométrie longitudinale donnée, ^de géométries transversales _pos-

sibles. Le choix _{n’est pas} unique, ^une ^étude systéma- tique ^de ^la résistance shunt (en cours) permettra ^de choisir la meilleure solution (vis-à-vis ^des pertes) compatible ^avec ^les possibilités de réalisation mé-

Notons pour conclure _{que les} géométries ^transver-

sales obtenues à partir ^de ^nos abaques conduisent à des maquettes résonnant à la bonne fréquence ^mais présentant ^une répartition ^de champ nécessitant de

légères ^retouches ( fig. 1).

III. Dynamique ^des particules dans les structures IH à répartition sinusoïdale du champ.

^La répartition

sinusoïdale du champ accélérateur dans la structure IH n’entraîne pas ^un allongement ^de l’accélérateur puisque

son fonctionnement en ph)2 permet ^un g)L z 1/2,

et qu’en première approximation ^le rapport ^de ^sa

longueur ^{à celle} d’une cavité Alvarez couvrant la même gamme d’énergie êt fonctionnant en ~3~ âvec g)L sr 1 )4 êst ~~4, donc favorable.

Une telle répartition ^de champ pouvait, par contre, faire craindre l’apparition ^de difficultés en ce qui

concerne l’acceptance ^de phase; ^les ^résultats (fin. 2)

montrent que la forme de la courbe d’acceptance ^est changée ^mais ^demeure largement suffisante, ^{du moins}

pour des cavités assez longues. ^Les problèmes ^de

focalisation radiale sont par ^contre simplifiés ^{du côté}

de l’injection (fonctionnement ^à fréquence ^faible,

montée lente du champ) ^et ^il ^semble possible ^d’utiliser

les quadrupôles magnétiques ^dès ^environ ⁶⁰ kV/A

pour ^une fréquence ^de ^{25 à} ³⁰ MHz, ^un qlm ^de 0,06

et un gradient ^de champ maximal de 8 MV~m ^dans

les _gaps.

En conclusion, ^la ^structure ^IH apparaît déjà, ^au

stade des recherches de principe, ^très compétitive ^aux

basses énergies (ions lourds) ^et ^il ^ne ^semble pas douteux

que l’on puisse ^encore ^améliorer ^ses performances. ^La

structure IH n’est _que la plus simple version des

structures de type ^H dont l’étude à peine ^commencée