BE1003551A3 - CYCLOTRONS FOCUSED BY SECTORS. - Google Patents
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Abstract
Des secteurs magnétiques assurant la focalisation du faisceau appelés collines, sont confondus en un même organe avec le système accélérateur, dit résonateur haute fréquence, par un choix approprié de leur configuration et de leurs dimensions.Ces collines (1) sont dimentionnées de manière à présenter une résonance électromagnétique de haute fréquence permettant ainsi de développer des tensions alternatives requises pour l'accélération des particules.Magnetic sectors ensuring the focusing of the beam called hills, are merged in a single body with the accelerator system, called high frequency resonator, by an appropriate choice of their configuration and their dimensions. These hills (1) are dimensioned so as to present a high frequency electromagnetic resonance thus making it possible to develop alternating voltages required for the acceleration of the particles.
Description
CYCLOTRONS FOCALISES PAR SECTEURS Obi et de 11 inventionCYCLOTRONS FOCUSED BY SECTORS Obi and 11 invention
La présente invention concerne des cyclotrons où le faisceau de particules est focalisé par secteurs. Plus particulièrement, la présente invention concerne des cyclotrons isochrones comportant un circuit magnétique constitué par au moins deux secteurs appelés "collines" où l'entrefer est réduit, séparés par des espacements en forme de secteurs appelés "vallées" où l'entrefer est de dimension plus grande.The present invention relates to cyclotrons where the particle beam is focused by sectors. More particularly, the present invention relates to isochronous cyclotrons comprising a magnetic circuit constituted by at least two sectors called "hills" where the air gap is reduced, separated by spacings in the form of sectors called "valleys" where the air gap is of dimension bigger.
La présente invention concerne à la fois les cyclotrons supraconducteurs et non supraconducteurs.The present invention relates to both superconductive and non-superconductive cyclotrons.
Etat de la techniqueState of the art
Les cyclotrons sont des accélérateurs de particules utilisés en particulier pour la production d'isotopes radioactifs.Cyclotrons are particle accelerators used in particular for the production of radioactive isotopes.
Les cyclotrons se composent habituellement de trois ensembles principaux distincts constitués par l'électroaimant, le résonateur haute fréquence et l'enceinte à vide avec pompes.Cyclotrons usually consist of three separate main assemblies consisting of the electromagnet, the high frequency resonator and the vacuum chamber with pumps.
L'électro-aimant assure le guidage des ions sur une trajectoire représentant approximativement une spirale de rayon croissant au cours de l'accélération. Cet aimant peut utiliser des bobinages classiques ou supraconducteurs.The electromagnet guides the ions on a trajectory representing approximately a spiral of increasing radius during acceleration. This magnet can use conventional or superconductive windings.
Dans les cyclotrons modernes, dits cyclotrons isochrones ou focalisés par secteurs, les pôles de l'électroaimant sont divisés en secteurs présentant alternativement un entrefer réduit et un entrefer plus grand. La variation azimuthale du champ magnétique qui en résulte a pour effet d'assurer la focalisation verticale du faisceau au cours de 1'accélération.In modern cyclotrons, called isochronous or sector-focused cyclotrons, the poles of the electromagnet are divided into sectors having alternately a reduced air gap and a larger air gap. The resulting azimuthal variation of the magnetic field has the effect of ensuring the vertical focusing of the beam during acceleration.
Les électrodes accélératrices (fréquemment appelées "dés" pour des raisons historiques) sont destinées à accélérer les particules en rotation dans le cyclotron. On applique aux électrodes une tension alternative de plusieurs dizaines de kilovolts, à la fréquence de rotation des particules dans l'aimant ou, alternativement, à une fréquence qui est un multiple exact de la fréquence de rotation des particules dans l'aimant, ce qui a pour effet, d'accélérer les faisceaux de particules tournant dans la machine.The accelerating electrodes (frequently called "dice" for historical reasons) are intended to accelerate the particles in rotation in the cyclotron. An alternating voltage of several tens of kilovolts is applied to the electrodes, at the frequency of rotation of the particles in the magnet or, alternatively, at a frequency which is an exact multiple of the frequency of rotation of the particles in the magnet, which has the effect of accelerating the particle beams rotating in the machine.
Pour pouvoir engendrer sur les électrodes accélératrices des tensions élevées à des fréquences très hautes, on éprouve généralement le besoin de raccorder 1'électrode accélératrice au potentiel électrique de la masse par un élément de circuit électrique possédant un caractère inductif. L'ensemble fourni par l'électrode accélératrice, qui possède un aspect capacitif vis-à-vis de la masse, et de l'élément inductif ainsi décrit forme un circuit électromagnétique résonnant, possédant un facteur de surtension élevé. L'ensemble ainsi formé est appelé le "résonateur haute fréquence" ou "électrodes accélératrices résonnantes".In order to be able to generate high voltages at very high frequencies on the accelerating electrodes, there is generally a need to connect the accelerating electrode to the electrical potential of the ground by an electric circuit element having an inductive character. The assembly provided by the accelerating electrode, which has a capacitive appearance with respect to ground, and of the inductive element thus described forms a resonant electromagnetic circuit, having a high overvoltage factor. The assembly thus formed is called the "high frequency resonator" or "resonant accelerating electrodes".
Enfin, l'action de pompes permet d'obtenir un vide poussé dans l'enceinte hermétique entourant les collines et les résonateurs haute fréquence, appelée de ce fait enceinte à vide.Finally, the action of pumps makes it possible to obtain a high vacuum in the hermetic enclosure surrounding the hills and the high frequency resonators, thus called vacuum enclosure.
Un mode de réalisation particulièrement favorable pour un cyclotron est décrit dans la demande de brevet européen n° 86902291.3 où l'entrefer des secteurs appelés collines est réduit à une valeur proche de la taille du faisceau accéléré, tandis que l'entrefer des secteurs appelés vallées, qui séparent les collines, est très grand de façon telle que le champ magnétique y est approximativement nul.A particularly favorable embodiment for a cyclotron is described in European patent application No. 86902291.3 where the air gap of the sectors called hills is reduced to a value close to the size of the accelerated beam, while the air gap of sectors called valleys , which separate the hills, is very large so that the magnetic field there is approximately zero.
Dans ce mode de réalisation préférentiel, les résonateurs haute fréquence sont installés dans deux vallées opposées. Ces systèmes résonnants haute fréquence sont composés des électrodes accélératrices et de piliers verticaux, électriquement conducteurs, raccordant les électrodes à la masse et formant avec les électrodes un circuit électromagnétique résonnant à un multiple de la fréquence choisie pour l'accélération du faisceau.In this preferred embodiment, the high frequency resonators are installed in two opposite valleys. These high-frequency resonant systems are composed of accelerating electrodes and vertical, electrically conductive pillars, connecting the electrodes to ground and forming with the electrodes an electromagnetic circuit resonating at a multiple of the frequency chosen for the acceleration of the beam.
Buts de l'inventionAims of the invention
La présente invention vise à fournir une construction plus simple et plus économique d'un cyclotron focalisé par secteurs.The present invention aims to provide a simpler and more economical construction of a cyclotron focused by sectors.
La présente invention vise également à augmenter· la fiabilité du cyclotron du fait de son dessin simplifié.The present invention also aims to increase · the reliability of the cyclotron because of its simplified design.
Un but complémentaire est d'augmenter l'efficacité de l'accélération du faisceau par un choix adéquat de différents paramètres.A complementary aim is to increase the efficiency of the beam acceleration by an adequate choice of different parameters.
D'autres buts et avantages apparaîtront dans la description qui suit.Other objects and advantages will appear in the description which follows.
Principaux éléments caractéristiquesMain characteristic elements
La présente invention consiste à confondre en un même organe des secteurs magnétiques assurant la focalisation du faisceau appelés collines, avec le système accélérateur, dit résonateur haute fréquence, par un choix approprié de leur configuration et de leurs dimensions.The present invention consists in confusing in the same organ magnetic sectors ensuring the focusing of the beam called hills, with the accelerator system, called high frequency resonator, by an appropriate choice of their configuration and their dimensions.
Ces collines sont dimensionnées de manière à présenter une résonance électromagnétique de haute fréquence permettant ainsi de développer des tensions alternatives requises pour l'accélération des particules.These hills are dimensioned so as to present a high frequency electromagnetic resonance thus making it possible to develop alternating voltages required for the acceleration of the particles.
On entend par haute fréquence des valeurs supérieures à 10 mégacycles par seconde.High frequency means values greater than 10 megacycles per second.
En particulier, l'effet désiré selon l'invention peut être atteint par les dispositions suivantes : - les deux collines situées symétriquement par rapport au plan médian et destinées à jouer le rôle d'électrode accélératrice résonnante doivent être substantiellement disjointes des collines voisines de la chambre à vide. Elles ne se raccordent au potentiel de la masse qu'à leur base, du côté le plus éloigné du plan médian. Ces deux collines peuvent être connectées électriquement 1 'une à 1'autre (mais de manière à ne pas interférer avec l'accélération des particules). Cette dernière connexion, assurant une parfaite symétrie des tensions radiofréquence de part et d'autre du plan médian, est recommandée mais n'est toutefois pas indispensable pour atteindre l'effet désiré de 1'invention.In particular, the desired effect according to the invention can be achieved by the following arrangements: - the two hills located symmetrically with respect to the median plane and intended to play the role of resonant accelerating electrode must be substantially separated from the hills neighboring the vacuum chamber. They connect to the potential of the mass only at their base, on the side furthest from the median plane. These two hills can be electrically connected to each other (but so as not to interfere with the acceleration of the particles). This last connection, ensuring perfect symmetry of the radiofrequency voltages on either side of the median plane, is recommended but is not however essential to achieve the desired effect of the invention.
- la fréquence accélératrice choisie, qui est un multiple exact de la fréquence de rotation des ions dans le cyclotron, doit être telle que la longueur d'onde associée soit supérieure à quatre fois la profondeur des vallées. Un fonctionnement particulièrement favorable est obtenu lorsque la longueur d'onde associée à la fréquence accélératrice est comprise entre cinq fois et dix fois la profondeur des vallées.- the accelerating frequency chosen, which is an exact multiple of the frequency of rotation of the ions in the cyclotron, must be such that the associated wavelength is greater than four times the depth of the valleys. A particularly favorable operation is obtained when the wavelength associated with the accelerating frequency is between five times and ten times the depth of the valleys.
- une capacité réglable est prévue entre la paire de collines résonnantes et une électrode au potentiel de la masse (par exemple la boîte à vide) afin d'assurer le réglage fin de la fréquence de résonance du résonateur.- an adjustable capacity is provided between the pair of resonant hills and an electrode at ground potential (for example the vacuum box) in order to ensure fine adjustment of the resonant frequency of the resonator.
Brève description des figures - La figure 1 représente une vue en coupe dans le plan médian du cyclotron selon l'invention.Brief description of the figures - Figure 1 shows a sectional view in the median plane of the cyclotron according to the invention.
- La figure 2 représente une vue en coupe radiale selon la ligne A-A de la figure 1.- Figure 2 shows a radial sectional view along line A-A of Figure 1.
- La figure 3 représente une vue en coupe azimuthale selon la ligne B-B de la figure 1.- Figure 3 shows an azimuth sectional view along line B-B of Figure 1.
Description d'une forme d'exécution préférée du cyclotron selon 1»inventionDescription of a preferred embodiment of the cyclotron according to the invention
Le cyclotron représenté schématiquement aux figures 1,2 et 3 est un cyclotron destiné à l'accélération de protons jusqu'à une énergie de 250 MeV.The cyclotron shown schematically in Figures 1,2 and 3 is a cyclotron intended for the acceleration of protons to an energy of 250 MeV.
La structure magnétique du cyclotron se compose d'un certain nombre d'éléments réalisés en un matériau ferromagnétique (1,2,3 et 9) et de bobines 4 réalisées en un matériau de préférence conducteur,(ou supraconducteur).The magnetic structure of the cyclotron consists of a number of elements made of a ferromagnetic material (1,2,3 and 9) and coils 4 made of a preferably conductive (or superconductive) material.
La structure ferromagnétique est constituée de : - deux plaques de base 2 et 2' appelées culasses ; - d'au moins deux secteurs supérieurs appelés collines 1 et/ou 9 et d'un même nombre de secteurs inférieurs 1' et/ou 9' situés symétriquement aux secteurs supérieurs 7 et/ou 9 par rapport au plan de symétrie 7 dit plan médian séparés par un faible entrefer; entre chaque colline est situé un espace où l'entrefer est de dimension plus élevée appelé "vallée" 11 et 11'; - d'au moins deux retours de flux 3 réunissant de façon rigide la culasse inférieure 2 à la culasse supérieure 2'.The ferromagnetic structure consists of: - two base plates 2 and 2 'called cylinder heads; - at least two upper sectors called hills 1 and / or 9 and the same number of lower sectors 1 'and / or 9' located symmetrically with the upper sectors 7 and / or 9 relative to the plane of symmetry 7 said plane median separated by a small air gap; between each hill is located a space where the air gap is of higher dimension called "valley" 11 and 11 '; - At least two flow returns 3 rigidly joining the lower cylinder head 2 to the upper cylinder head 2 '.
Les bobines 4 sont de forme essentiellement circulaire et sont localisées dans l'espace annulaire laissé entre les secteurs 1 et 9 et les retours de flux.The coils 4 are essentially circular in shape and are located in the annular space left between sectors 1 and 9 and the flow returns.
Ces bobines peuvent être réalisées dans un matériau supraconducteur, mais dans ce cas il faudra prévoir les dispositifs de cryogénie nécessaires.These coils can be made of a superconductive material, but in this case it will be necessary to provide the necessary cryogenic devices.
Le conduit central 8 est destiné à recevoir, au moins en partie, la source de particules à accélérer qui sont injectées au centre de l'appareil par des moyens connus en soi.The central duct 8 is intended to receive, at least in part, the source of particles to be accelerated which are injected into the center of the device by means known per se.
Dans un mode d'exécution particulièrement préféré de l'invention, le cyclotron possède avantageusement 4 paires de collines dont 2 paires 1 et 1' sont du type résonnant et assurent de ce fait l'accélération.In a particularly preferred embodiment of the invention, the cyclotron advantageously has 4 pairs of hills, of which 2 pairs 1 and 1 ′ are of the resonant type and therefore ensure acceleration.
Les deux autres paires de collines 9 et 91 sont connectées électriquement à la boîte à vide 5 et ne résonnent donc pas.The other two pairs of hills 9 and 91 are electrically connected to the vacuum box 5 and therefore do not resonate.
Le champ magnétique moyen au rayon d'extraction est de 2,4 Tesla. La fréquence de rotation correspondante des protons est d'environ 30.106 rotations par seconde. La fréquence accélératrice choisie est deux fois supérieure soit 60 mégacycles par seconde, la longueur d'onde correspondante étant de 4.62 m.The average magnetic field at the extraction radius is 2.4 Tesla. The corresponding frequency of rotation of the protons is approximately 30.106 rotations per second. The accelerating frequency chosen is twice as high, ie 60 megacycles per second, the corresponding wavelength being 4.62 m.
La profondeur des vallées 11 et 11' mesurée à partir du plan médian est de 55 cm.The depth of the valleys 11 and 11 'measured from the median plane is 55 cm.
Dans ce cas, l'obtention de la résonance à 60 mégacycles par seconde requiert l'addition d'une capacité supplémentaire de 120 picofarads par ensemble résonateur. Une partie de cette capacité résulte de l'adjonction d'électrodes aidant l'accélération du faisceau au centre de la machine et le reste est fourni par un condensateur variable 6 installé dans le plan médian 7 entre le résonateur 1 et la boîte à vide 5.In this case, obtaining resonance at 60 megacycles per second requires the addition of an additional capacity of 120 picofarads per resonator assembly. Part of this capacity results from the addition of electrodes helping the acceleration of the beam in the center of the machine and the rest is supplied by a variable capacitor 6 installed in the median plane 7 between the resonator 1 and the vacuum box 5 .
Les connexions électriques 10 entre collines résonnantes permettent d'assurer une parfaite symétrie des tensions radiofréquence de part et d'autre du plan médian 7.The electrical connections 10 between resonant hills make it possible to ensure perfect symmetry of the radiofrequency voltages on either side of the median plane 7.
On peut considérer que les collines ainsi décrites, disjointes des autres collines et de la boîte à vide constituent .le conducteur d'une ligne de transmission coaxiale dont le conducteur extérieur est constitué par la boîte à vide et les autres collines. On peut considérer que le segment de ligne coaxiale ainsi formé est court-circuité aux deux extrémités, à l'endroit où les collines viennent s'attacher aux plaques de base du cyclotron.It can be considered that the hills thus described, separated from the other hills and from the vacuum box, constitute the conductor of a coaxial transmission line whose external conductor consists of the vacuum box and the other hills. It can be considered that the coaxial line segment thus formed is short-circuited at both ends, at the place where the hills come to attach to the base plates of the cyclotron.
Il est bien connu en électromagnétisme qu'une telle ligne coaxiale ainsi court-circuitée aux deux extrémités présente une résonance électromagnétique à une fréquence telle que la longueur d'onde associée est égale au double de la longueur du segment de la ligne coaxiale court-circuitée.It is well known in electromagnetism that such a coaxial line thus short-circuited at both ends has an electromagnetic resonance at a frequency such that the associated wavelength is equal to twice the length of the segment of the short-circuited coaxial line .
Pour cette résonance électromagnétique, le maximum de tension est observé au milieu de la ligne soit, dans le cyclotron, au niveau du plan médian où s'accélèrent les particules.For this electromagnetic resonance, the maximum voltage is observed in the middle of the line or, in the cyclotron, at the level of the median plane where the particles accelerate.
Enfin, il est bien connu en électromagnétisme que la résonance précitée peut être déplacée à une fréquence plus basse, en plaçant une capacité supplémentaire entre le conducteur intérieur et extérieur de ligne coaxiale, de préférence en son milieu.Finally, it is well known in electromagnetism that the aforementioned resonance can be displaced at a lower frequency, by placing an additional capacitance between the inner and outer conductor of the coaxial line, preferably in the middle.
D'autre part, la distance angulaire entre deux espaces d'accélération (espaces situés entre deux collines jouant le rôle de résonateur de haute fréquence) peut avantageusement être l'angle séparant deux vallées successives alors que dans les configurations classiques l'angle maximum entre deux espaces accélérateurs doit être inférieur à l'angle d'une vallée.On the other hand, the angular distance between two acceleration spaces (spaces located between two hills playing the role of high frequency resonator) can advantageously be the angle separating two successive valleys whereas in conventional configurations the maximum angle between two accelerator spaces should be less than the angle of a valley.
Ceci permet l'utilisation d'angles plus grands entre les espaces d'accélération, ce qui permet dans certains cas, une accélération beaucoup plus efficace du faisceau.This allows the use of larger angles between the acceleration spaces, which in some cases allows a much more efficient acceleration of the beam.
Dans le cas de la géométrie précitée, l'obtention d'une tension alternative de 100 kW ne requiert qu'une puissance radiofréquence de 30 kW par résonateur.In the case of the above-mentioned geometry, obtaining an alternating voltage of 100 kW requires only a radiofrequency power of 30 kW per resonator.
Claims (6)
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