BE1019557A3 - Synchrocyclotron. - Google Patents
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Abstract
La présente invention se rapporte à un synchrocyclotron comprenant:-une structure ferromagnétique comprenant:deux plaques de base appelées culasses,en forme de disques situées de manière coaxiale par rapport à un axe central (1),parallèles et substantiellement symétriques par rapport à un plan médian;une paire de pôles présentant une section de forme généralement circulaire,de rayon R,agencés de part et d'autre dudit plan médian,suivant ledit axe central et séparés d'un entrefer formant ainsi une cavité;des retours de flux entourant lesdits pôleset joignant les deux dites culasses;une structure à masse froide comportant au moins deux bobines d'induction magnétique entourée par lesdits retours de flux et entourant lesdits pôles;une source de particules située dans ladite cavité dans une première zone circulaire de rayon R1 inférieur au dit rayon R de ladite cavité et dont l'origine est un point dudit axe central.The present invention relates to a synchrocyclotron comprising: a ferromagnetic structure comprising: two base plates called yokes, in the form of discs located coaxially with respect to a central axis (1), parallel and substantially symmetrical with respect to a plane median; a pair of poles having a section of generally circular shape, of radius R, arranged on either side of said median plane, along said central axis and separated by an air gap thus forming a cavity; flow returns surrounding said poles and joining the two said yokes; a cold mass structure comprising at least two magnetic induction coils surrounded by said flux returns and surrounding said poles; a source of particles located in said cavity in a first circular zone of radius R1 less than said radius R of said cavity and whose origin is a point of said central axis.
Description
Synchrocyclotronsynchrocyclotron
Domaine techniqueTechnical area
[0001] La présente invention se rapporte à un synchrocyclotron et a une structure d’aimant pour un synchrocyclotron destiné à la hadron-thérapie, la dite structure d’aimant permettant d’obtenir un synchrocyclotron suffisamment compact et de produire le champ magnétique nécessaire pour l’accélération de particules en hadron-thérapie.The present invention relates to a synchrocyclotron and has a magnet structure for a synchrocyclotron for hadron therapy, said magnet structure to obtain a sufficiently compact synchrocyclotron and produce the magnetic field necessary for particle acceleration in hadron-therapy.
Description de l’état de la techniqueDescription of the state of the art
[0002] Les synchrocyclotrons, tout comme les cyclotrons, sont des accélérateurs de particules comprenant une structure d’aimant comprenant deux bobines d’induction magnétique entourant radialement une cavité destinée à l’accélération de particules, comprise entre deux pôles, ladite cavité comprenant un axe central et dans laquelle s’étend un plan médian perpendiculairement audit axe central. Des particules sont produites dans une source de particules située dans la cavité au voisinage de l’axe central, et sont extraites de ladite source pour être accélérées, dans le plan médian suivant une trajectoire en forme de spirale, par des électrodes accélératrices alimentées par un générateur de tension alternative haute fréquence.[0002] Synchrocyclotrons, just like cyclotrons, are particle accelerators comprising a magnet structure comprising two magnetic induction coils radially surrounding a cavity intended for particle acceleration, between two poles, said cavity comprising a central axis and in which extends a median plane perpendicular to said central axis. Particles are produced in a source of particles located in the cavity in the vicinity of the central axis, and are extracted from said source to be accelerated, in the median plane along a spiral-shaped path, by accelerating electrodes fed by a high frequency alternating voltage generator.
[0003] À la différence des cyclotrons, où les particules sont accélérées à la même fréquence, dans un synchrocyclotron, la fréquence du champ électrique appliqué aux électrodes accélératrices est modulée de manière à compenser l’accroissement de masse relativiste lorsque la vitesse des particules augmente.Unlike cyclotrons, where the particles are accelerated at the same frequency, in a synchrocyclotron, the frequency of the electric field applied to the accelerating electrodes is modulated so as to compensate for the increase in relativistic mass when the particle velocity increases. .
[0004] Pour réduire la taille d’un cyclotron, il faut augmenter la champ magnétique qui guide les ions durant l’accélération. Pour les cyclotrons isochrones, où la focalisation verticale du faisceau est obtenue par des secteurs magnétiques placés dans l’entrefer, il est difficile d’augmenter le champ magnétique moyen au dessus de 5 Tesla, car la focalisation verticale devient insuffisante. Au contraire, dans les synchrocyclotrons, on peut, en principe, augmenter sans limites le niveau de champ magnétique. Les synchrocyclotrons sont également plus compacts que les cyclotrons, la taille d’un synchrocyclotron diminuant proportionnellement par rapport au champ magnétique généré entre les deux pôles.To reduce the size of a cyclotron, it is necessary to increase the magnetic field that guides the ions during acceleration. For isochronous cyclotrons, where the vertical focusing of the beam is obtained by magnetic sectors placed in the air gap, it is difficult to increase the average magnetic field above 5 Tesla, because the vertical focus becomes insufficient. On the contrary, in synchrocyclotrons the magnetic field level can in principle be increased without limits. Synchrocyclotrons are also more compact than cyclotrons, the size of a synchrocyclotron decreasing proportionally with respect to the magnetic field generated between the two poles.
[0005] Les document US 7,541,905 et US 7,696,847 décrivent un synchrocyclotron dont les bobines d’induction sont réalisées en un matériau supraconducteur, refroidies à une température de 4,5K, et capable de produire un champ magnétique compris entre 5 Tesla et 11 Tesla. Des champs magnétiques de 14 Tesla peuvent être produits en diminuant la température jusque 2K pour des bobines d’induction réalisées en NbsSn. La culasse réalisée en fer doux fournit un champ additionnel d’environs 2T. Afin de réduire la taille d’un synchrocyclotron, les documents cités précédemment suggèrent de produire un champ magnétique élevé dans l’entrefer des pôles. Néanmoins en augmentant le champ magnétique, au dessus de 6 Teslas, comme dans les brevets précités, des effets indésirables apparaissent : il devient impossible ou très difficile de dessiner la région centrale du cyclotron, car le champ magnétique très élevé entraîne une diminution du rayon des premières orbites prises par les particules, de manière telle que les particules n’arrivent pas à contourner la source d’ion au premier tour. Un autre inconvénient des champs magnétiques supérieurs à 6 Tesla est que la réalisation du dispositif d’extraction devient très difficile. Un troisième inconvénient des champs magnétiques supérieurs à 6 Tesla au centre du cyclotron est que, pour de tels champs magnétiques, le champ magnétique rencontré dans les bobines excède la champ magnétique auquel on peut utiliser l’alliage de Niobium-Titane pour réaliser les bobines. On doit utiliser alors des bobines supraconductrices utilisant l’alliage Nb3Sn qui est beaucoup plus coûteux.US 7,541,905 and US 7,696,847 describe a synchrocyclotron whose induction coils are made of a superconducting material, cooled to a temperature of 4.5K, and capable of producing a magnetic field between 5 Tesla and 11 Tesla. Magnetic fields of 14 Tesla can be produced by decreasing the temperature up to 2K for induction coils made of NbsSn. The cylinder head made of soft iron provides an additional field of around 2T. In order to reduce the size of a synchrocyclotron, the documents cited above suggest producing a high magnetic field in the gap of the poles. However, by increasing the magnetic field, above 6 Tesla, as in the aforementioned patents, undesirable effects appear: it becomes impossible or very difficult to draw the central region of the cyclotron, because the very high magnetic field causes a decrease in the radius of first orbits taken by the particles, so that the particles can not bypass the ion source in the first round. Another disadvantage of magnetic fields greater than 6 Tesla is that the realization of the extraction device becomes very difficult. A third disadvantage of magnetic fields greater than 6 Tesla in the center of the cyclotron is that, for such magnetic fields, the magnetic field encountered in the coils exceeds the magnetic field to which the Niobium-Titanium alloy can be used to make the coils. Superconducting coils using the Nb3Sn alloy, which is much more expensive, must then be used.
[0006] Le synchrocyclotron décrit plus haut comprend deux pôles dont le profil permet une faible focalisation des particules accélérées dans le plan médian et une stabilité de phase de telle manière à ce que les particules chargées acquièrent suffisamment d’énergie pour maintenir l’accélération dans l’entrefer desdits pôles. Dans le champ magnétique produit dans l’entrefer d’un synchrocyclotron, une particule chargée et accélérée oscille de manière radiale et axiale autour d’une orbite d’équilibre. La fréquence d’oscillation radiale vr est donnée par (I) : vr = VT - n (oscillations par révolution) (I) la fréquence d’oscillation axiale vz est donnée par (II) : vz = Vn (oscillations par révolution) (II) avec n l’indice de focalisation de champ donné par (III)The synchrocyclotron described above comprises two poles whose profile allows a low focusing of accelerated particles in the median plane and a phase stability so that the charged particles acquire enough energy to maintain the acceleration in the gap of said poles. In the magnetic field produced in the air gap of a synchrocyclotron, a charged and accelerated particle oscillates radially and axially around an equilibrium orbit. The radial oscillation frequency vr is given by (I): vr = VT - n (oscillations per revolution) (I) the axial oscillation frequency vz is given by (II): vz = Vn (oscillations per revolution) ( II) with n the field focusing index given by (III)
r dBr dB
n = -(III) où r est le rayon de l’orbite de la particule, l’origine du rayon passant par un point de l’axe central, et B le champ magnétique en ce rayon.n = - (III) where r is the radius of the orbit of the particle, the origin of the ray passing through a point of the central axis, and B the magnetic field in this radius.
On peut montrer théoriquement qu’il existe une force de focalisation axiale lorsque n>0 ce qui implique que dB/dr soit négatif. Le synchrocyclotron doit donc avoir un profil de champ évolutif qui décroît en fonction du rayon de manière à satisfaire aux conditions posées par d’indice de focalisation de champ. Généralement, on s’arrange pour avoir un profil de pôle dont l’indice de focalisation de champ est inférieur à 0,2 dans la cavité destiné à l’accélération des particules. Lorsque l’on s’approche du rayon maximum du pôle, le champ magnétique diminue plus rapidement en fonction du rayon, l’indice de champ magnétique augmente, la fréquence radiale vr diminue et la fréquence axiale vz augmente. Lorsque n = 0.2, on a une condition particulière où vr = 2 vz. Dans cette condition particulière, connue comme la résonance de Walkinshaw, l’énergie des oscillations radiales peut être transférée aux oscillations axiales. Ceci fait augmenter la taille axiale du faisceau et cause généralement la perte de la majorité des ions accélérés. Pour éviter cela, le synchrocyclotron comprend des ailes de pôles situées sur le bord des pôles , causant une réduction de l’entrefer avant que l’indice de champ ne soit égal à 0,2, de manière à augmenter localement le champ magnétique et à empêcher la perte de particules.We can theoretically show that there is an axial focusing force when n> 0, which implies that dB / dr is negative. The synchrocyclotron must therefore have an evolutionary field profile which decreases with the radius so as to satisfy the conditions set by the field focusing index. Generally, it is arranged to have a pole profile whose field focusing index is less than 0.2 in the cavity for accelerating particles. When approaching the maximum radius of the pole, the magnetic field decreases more rapidly as a function of the radius, the magnetic field index increases, the radial frequency vr decreases and the axial frequency vz increases. When n = 0.2, we have a special condition where vr = 2 vz. In this particular condition, known as the Walkinshaw resonance, the energy of radial oscillations can be transferred to axial oscillations. This increases the axial size of the beam and generally causes the loss of the majority of the accelerated ions. To avoid this, the synchrocyclotron includes pole wings located on the edge of the poles, causing a reduction of the gap before the field index is equal to 0.2, so as to locally increase the magnetic field and to prevent the loss of particles.
[0007] Dans le cas d’un synchrocyclotron à champ magnétique élevé tel que décrit dans les deux documents cités ci-dessus, pour satisfaire aux conditions posées par l’indice de focalisation de champ n et permettre la focalisation des particules dans le plan médian, le profil des pôles doit évoluer d’une région avoisinant l’axe central où l’entrefer est suffisamment étroit pour produire suffisamment de champ magnétique, vers une région située proche des ailes de pôles où l’entrefer est maximum et dont la hauteur est au moins deux fois supérieure à celle de la zone de l’entrefer avoisinant l’axe central. Les pôles comprennent des surfaces biseautées de façon à élargir progressivement l’entrefer des pôles, la région des pôles où le gap est maximum étant comprise entre deux surfaces formant un angle aigu entre elles. Dans la figure 2 du document US 7,696,847 la jonction entre l’aile 134 et la surface 130 présente un angle aigu. Un tel profil de pôle comprenant une région profonde et étroite est assez difficile à usiner avec précision.In the case of a high magnetic field synchrocyclotron as described in the two documents cited above, to satisfy the conditions set by the n field focusing index and allow the focusing of the particles in the median plane , the profile of the poles must evolve from a region near the central axis where the air gap is sufficiently narrow to produce sufficient magnetic field, to a region located near the pole wings where the gap is maximum and the height is at least twice that of the area of the air gap near the central axis. The poles comprise beveled surfaces so as to progressively widen the gap of the poles, the region of the poles where the gap is maximum is between two surfaces forming an acute angle between them. In Figure 2 of US 7,696,847 the junction between the flange 134 and the surface 130 has an acute angle. Such a pole profile including a deep and narrow region is quite difficult to machine accurately.
[0008] Un synchrocyclotron comprenant un entrefer dans lequel est généré un champ magnétique de 5,5 Tesla est décrit dans le document de Wu X. « Conceptual Design and Orbit Dynamics in a 250 MeV Superconducting Synchrocyclotron » (PhD dissertation, Michigan State University, 1990). Les pertes de particules à la sortie de la source sont moins importantes pour un tel champ magnétique. Néanmoins, l’entrefer entre les pôles de ce synchrocyclotron est relativement étroit, tout comme dans le synchrocyclotron décrit précédemment, ce qui nécessite le forage d’un trou dans la culasse selon l’axe central de la culasse pour l’introduction d’une source de particules dans la région centrale. Le forage du trou dans la culasse modifie localement le champ magnétique au centre de la cavité accélératrice, où le champ magnétique au voisinage de la source s’accroît initialement avec le rayon jusqu’à un maximum, puis retombe légèrement avec le rayon. L’index de focalisation de champ est donc initialement négatif ce qui provoque une défocalisation de la trajectoire des particules sur un court rayon. Cet effet augmente avec le rayon de la source, d’où la nécessité de minimiser le diamètre du trou dans la culasse et le diamètre de la source, ce qui réduit la capacité de production de particules. Aussi, il est nécessaire d’insérer des pièces métalliques circulaires de compensation de champ magnétique, couramment appelées « shims ».[0008] A synchrocyclotron comprising an air gap in which a 5.5 Tesla magnetic field is generated is described in the Wu X document. "Conceptual Design and Orbit Dynamics in a 250 MeV Superconducting Synchrocyclotron" (PhD dissertation, Michigan State University, 1990). The losses of particles at the outlet of the source are less important for such a magnetic field. Nevertheless, the gap between the poles of this synchrocyclotron is relatively narrow, as in the previously described synchrocyclotron, which requires the drilling of a hole in the cylinder head along the central axis of the cylinder head for the introduction of a source of particles in the central region. The hole in the bolt hole locally changes the magnetic field at the center of the accelerating cavity, where the magnetic field in the vicinity of the source initially increases with the radius to a maximum, then falls slightly with the radius. The field focusing index is therefore initially negative, which causes a defocusing of the trajectory of the particles over a short radius. This effect increases with the radius of the source, hence the need to minimize the diameter of the hole in the cylinder head and the diameter of the source, which reduces the particle production capacity. Also, it is necessary to insert circular metal magnetic field compensation parts, commonly called "shims".
[0009] Un autre inconvénient des synchrocyclotrons décrits précédemment est le peu d’espace disponible pour l’insertion d’un circuit d’oscillation haute fréquence comprenant des électrodes accélératrices et une ligne de transmission. Ce manque d’espace impose une distance réduite entre les électrodes accélératrices et la ligne de transmission, ce qui à pour effet d’augmenter la capacité entre ces deux éléments. Une augmentation de la capacité nécessite plus de puissance au niveau du générateur de tension pour produire la fréquence de courant alternatif désirée dans les électrodes accélératrices.Another disadvantage of the synchrocyclotrons described above is the little space available for the insertion of a high frequency oscillation circuit comprising accelerating electrodes and a transmission line. This lack of space imposes a reduced distance between the accelerating electrodes and the transmission line, which has the effect of increasing the capacity between these two elements. An increase in capacity requires more power at the voltage generator to produce the desired AC frequency in the accelerating electrodes.
[0010] Afin de minimiser les problèmes d’extraction des particules de la source, et de réduire les coûts de production d’un synchrocyclotron, il est nécessaire de minimiser le champ magnétique dans l’entrefer compris entre les deux pôles du synchrocyclotron tout en minimisant la taille du synchrocyclotron.In order to minimize the problems of extraction of the particles from the source, and to reduce the production costs of a synchrocyclotron, it is necessary to minimize the magnetic field in the gap between the two poles of the synchrocyclotron while minimizing the size of the synchrocyclotron.
[0011] Il est également souhaitable de réaliser un synchrocyclotron dont les profils de pôles satisfont aux conditions posées par l’indice de focalisation de champ et sont plus faciles à usiner.It is also desirable to produce a synchrocyclotron whose pole profiles satisfy the conditions set by the field focusing index and are easier to machine.
[0012] Il est aussi souhaitable de réaliser un synchrocyclotron dont l’entrefer entre les deux pôles permet l’insertion aisée d’une source et d’un circuit d’oscillation haute fréquence de manière à éviter les problèmes tels que rencontrés dans les synchrocyclotrons de l’art antérieur.It is also desirable to provide a synchrocyclotron whose gap between the two poles allows the easy insertion of a source and a high frequency oscillation circuit so as to avoid problems as encountered in synchrocyclotrons of the prior art.
Résumé de l’inventionSummary of the invention
[0013] Selon un premier aspect, la présente invention concerne un synchrocyclotron comprenant : - une structure ferromagnétique 4 comprenant : o deux plaques de base appelées culasses 16, 16’, en forme de disques situées de manière coaxiale par rapport à un axe central 1, parallèles et substantiellement symétriques par rapport à un plan médian 2 ; o une paire de pôles 5, 5’ présentant une section de forme généralement circulaire, de rayon R, agencés de part et d’autre dudit plan médian 2, suivant ledit axe central 1 et séparés d’un entrefer formant ainsi une cavité 9 ; o des retours de flux 17 entourant lesdits pôles 5,5’ et joignant les deux dites culasses 16, 16’ ; - une structure à masse froide comportant au moins deux bobines d’induction magnétique 3 entourée par lesdits retours de flux 17 et entourant lesdits pôles 5,5’ ; - une source de particules 11 située dans ladite cavité 9 dans une première zone 6 circulaire de rayon R1 inférieur au dit rayon R de ladite cavité 9 et dont l’origine est un point dudit axe central 1 ; le champ magnétique moyen produit dans ladite cavité 9 par les dites bobines 3 et la dite structure ferromagnétique 4 étant compris entre 4 et 7 Tesla, l’entrefer de ladite cavité 9 présentant un profil symétrique par rapport audit plan médian 2, et dont la hauteur varie radialement, ledit profil de l’entrefer comportant successivement à partir dudit axe central 1 : - une première portion circulaire 7, de rayon R2, centrée sur ledit axe central 1, dont la hauteur de l’entrefer au centre est de hauteur Hœntre, et croît progressivement jusqu’à une hauteur maximum Hmax à l’extrémité du rayon R2; - une seconde portion annulaire 8 où la hauteur de l’entrefer décroît progressivement jusqu’à une hauteur Hb0rds aux bords des dits pôles 5,5’ ; le synchrocyclotron étant caractérisé en ce que ladite hauteur Hœntre de l’entrefer au centre de ladite première portion circulaire (7) est supérieure à 10 cm, et le rapport de ladite hauteur maximale Hmax sur la dite hauteur H centre est compris entre 1,1 et 1,5.According to a first aspect, the present invention relates to a synchrocyclotron comprising: a ferromagnetic structure 4 comprising: two base plates called cylinder-shaped heads 16, 16 'coaxially located with respect to a central axis 1 parallel and substantially symmetrical with respect to a median plane 2; a pair of poles 5, 5 'having a section of generally circular shape, of radius R, arranged on either side of said median plane 2, along said central axis 1 and separated from an air gap thereby forming a cavity 9; flow returns 17 surrounding said poles 5, 5 'and joining the two said heads 16, 16'; a cold mass structure comprising at least two magnetic induction coils 3 surrounded by said flux returns 17 and surrounding said poles 5,5 '; a source of particles 11 located in said cavity 9 in a first circular zone 6 of radius R1 less than said radius R of said cavity 9 and whose origin is a point of said central axis 1; the average magnetic field produced in said cavity 9 by said coils 3 and said ferromagnetic structure 4 being between 4 and 7 Tesla, the air gap of said cavity 9 having a symmetrical profile with respect to said median plane 2, and whose height radially varies, said profile of the air gap comprising successively from said central axis 1: a first circular portion 7, of radius R2, centered on said central axis 1, the height of the air gap in the center is height Hœntre, and progressively increases to a maximum height Hmax at the end of the radius R2; - A second annular portion 8 where the height of the air gap gradually decreases to a height Hb0rds at the edges of said poles 5,5 '; the synchrocyclotron being characterized in that said Hoe height of the gap in the center of said first circular portion (7) is greater than 10 cm, and the ratio of said maximum height Hmax on said center height H is between 1.1 and 1.5.
[0014] De préférence, ledit synchrocyclotron est caractérisé en ce que ladite première portion circulaire comprend une sous-portion circulaire 6 de rayon R1 inférieur à R2, centrée sur le dit axe central 1, dont la hauteur de l’entrefer est constante et de hauteur Hcentre·Preferably, said synchrocyclotron is characterized in that said first circular portion comprises a circular sub-portion 6 of radius R1 less than R2, centered on said central axis 1, the height of the air gap is constant and of height Hcentre ·
[0015] De préférence, ledit synchrocyclotron selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le rapport de ladite hauteur maximale Hmax sur la dite hauteur Hœntre est compris entre 1,2 et 1,5.Preferably, said synchrocyclotron according to claim 1 or 2, characterized in that the ratio of said maximum height Hmax to said Hointer height is between 1.2 and 1.5.
[0016] De préférence, ledit synchrocyclotron selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le rapport de ladite hauteur maximale Hmax sur la dite hauteur Hcentre est compris entre 1,2 et 1,4.Preferably, said synchrocyclotron according to claim 1 or 2 characterized in that the ratio of said maximum height Hmax on said height Hcentre is between 1.2 and 1.4.
[0017] De préférence, ledit synchrocyclotron selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les dits pôles 5,5’ comprennent une succession de surfaces circulaires biseautées et centrées sur ledit axe central 1, chacune desdites surfaces formant avec sa surface voisine un angle a strictement supérieur à 90°, plus préférablement 91°, encore plus préférablement 92°.Preferably, said synchrocyclotron according to any preceding claim characterized in that said poles 5,5 'comprise a succession of beveled circular surfaces and centered on said central axis 1, each of said surfaces forming with its neighboring surface an angle is strictly greater than 90 °, more preferably 91 °, still more preferably 92 °.
[0018] De préférence, ledit synchrocyclotron selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite sous-portion circulaire 6 s’étend sur un rayon R1 égal à 20 % du rayon R de ladite cavité et ladite première portion circulaire 7 s’étend entre le rayon R1 et un rayon R2 égal à 95% du rayon R de ladite cavité 9.Preferably, said synchrocyclotron according to any preceding claim characterized in that said circular sub-portion 6 extends over a radius R1 equal to 20% of the radius R of said cavity and said first circular portion 7 s extends between the radius R1 and a radius R2 equal to 95% of the radius R of said cavity 9.
[0019] De préférence, ledit synchrocyclotron selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite sous-portion circulaire 6 s’étend sur un rayon R1 égal à 10 % du rayon R de ladite cavité et ladite première portion circulaire 7 s’étend entre le rayon R1 et un rayon R2 égal à 70% du rayon R de ladite cavité 9.Preferably, said synchrocyclotron according to any one of the preceding claims characterized in that said circular sub-portion 6 extends over a radius R1 equal to 10% of the radius R of said cavity and said first circular portion 7 s extends between the radius R1 and a radius R2 equal to 70% of the radius R of said cavity 9.
[0020] De préférence, ledit synchrocyclotron selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite source est située dans ladite sous-portion circulaire 6 et maintenue par un support inséré dans ladite cavité 9 de manière substantiellement parallèle audit plan médian 2.Preferably, said synchrocyclotron according to any preceding claim characterized in that said source is located in said circular sub-portion 6 and held by a support inserted in said cavity 9 substantially parallel to said median plane 2.
[0021] De préférence, ledit synchrocyclotron selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que chacun desdits pôles 5 est plein.Preferably, said synchrocyclotron according to any preceding claim characterized in that each of said poles 5 is full.
[0022] De préférence, ledit synchrocyclotron selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdites bobines d’induction magnétique 3 sont réalisées en NbTi.Preferably, said synchrocyclotron according to any preceding claim characterized in that said magnetic induction coils 3 are made of NbTi.
[0023] Selon un autre aspect, la présente invention concerne une méthode de réalisation d’un synchrocyclotron selon la revendication 1, la méthode comprenant les étapes de : - fixation de la hauteur de l’entrefer entre lesdits pôles au voisinage de l’axe central Hcentre telle que ladite hauteur Hcentre soit supérieure à 10 cm ; - fixation d’une hauteur maximale de l’entrefer Hmax telle que celle-ci soit supérieure à au moins 1,1 fois la hauteur Hcentre et inférieure à 1,5 fois la hauteur Hcentre ; - fixation d’un champ magnétique dans des bobines d’induction magnétique 3 entourant les pôles formant la cavité accélératrice de particules ; - optimisation du profil des pôles et des dimensions et position des bobines d’induction magnétique 3 en tenant compte de Hcentre et Hmax ainsi que du champ magnétique dans les bobines, de manière à obtenir une cavité accélératrice de particules comprise entre lesdits pôles dont l’entrefer entre lesdits pôles satisfait aux conditions posées par l’indice de focalisation de champ n = avec r le rayon de l’orbite d’une particule, l’origine du dit rayon passant par un point de l’axe central, et B le champ magnétique en ce rayon, n devant être strictement compris entre 0 et 0,2.In another aspect, the present invention relates to a method for producing a synchrocyclotron according to claim 1, the method comprising the steps of: - fixing the height of the air gap between said poles in the vicinity of the axis central Hcentre such that said height Hcentre is greater than 10 cm; - Fixing a maximum height of the air gap Hmax such that it is greater than at least 1.1 times the height Hcentre and less than 1.5 times the height Hcentre; - Fixing a magnetic field in magnetic induction coils 3 surrounding the poles forming the particle accelerating cavity; optimizing the profile of the poles and the dimensions and position of the magnetic induction coils 3, taking into account the center and Hmax, as well as the magnetic field in the coils, so as to obtain an accelerating cavity of particles between said poles of which air gap between said poles satisfies the conditions set by the field focusing index n = with r the radius of the orbit of a particle, the origin of said ray passing through a point of the central axis, and B le magnetic field in this radius, n to be strictly between 0 and 0.2.
Description des figuresDescription of figures
[0024] La figure 1 représente une coupe latérale d’un synchrocyclotron selon un mode de réalisation de la présente invention.Figure 1 shows a side section of a synchrocyclotron according to an embodiment of the present invention.
[0025] La figure 2 représente une coupe latérale plus détaillée du synchrocyclotron selon la figure 1.Figure 2 shows a more detailed side section of the synchrocyclotron according to Figure 1.
Description détaillée de l’inventionDetailed description of the invention
[0026] Les figures 1 et 2 représentent un synchrocyclotron selon la présente invention. Il est à noter que les figures 1 et 2 ne sont pas représentées à l’échelle et que certaines pièces du synchrocyclotron ne sont pas représentées pour des raisons de clarté de la figure. Le synchrocyclotron selon la présente invention comprend : - une structure ferromagnétique 4 comprenant : o deux plaques de base appelées culasses 16, 16’, en forme de disques situées de manière coaxiale par rapport à un axe central 1, parallèles et substantiellement symétriques par rapport à un plan médian 2 ; o une paire de pôles 5, 5’ présentant une section de forme généralement circulaire, de rayon R, agencés de part et d’autre dudit plan médian 2, suivant ledit axe central 1 et séparés d’un entrefer formant ainsi une cavité 9 ; o des retours de flux 17 entourant lesdits pôles 5,5’ et joignant les deux dites culasses 16, 16’ ; - une structure à masse froide comportant au moins deux bobines d’induction magnétique 3 entourée par lesdits retours de flux 17 et entourant lesdits pôles 5,5’ ; - une source de particules 11 située dans ladite cavité 9 dans une première zone 6 circulaire de rayon R1 inférieur au dit rayon R de ladite cavité 9 et dont l’origine est un point dudit axe central 1 ; - un générateur 14 de tension haute fréquence situé en dehors des retours de flux 17 ; - une électrode accélératrice couplée au générateur 14 de tension haute fréquence, l’électrode comprenant une paire de plaques 12 parallèles, substantiellement semi-circulaires et séparées l’une de l’autre par un gap, situées à l’intérieur de ladite cavité 9, s’étendant parallèlement et symétriquement de part et d’autre du plan médian 2 et faisant face à ladite source ; - une ligne de transmission 13 entourant l’électrode accélératrice 12 et située à une certaine distance de ladite électrode 12.Figures 1 and 2 show a synchrocyclotron according to the present invention. It should be noted that Figures 1 and 2 are not shown in scale and that some parts of the synchrocyclotron are not shown for the sake of clarity of the figure. The synchrocyclotron according to the present invention comprises: - a ferromagnetic structure 4 comprising: two base plates called disc-shaped cylinder heads 16, 16 'coaxially with respect to a central axis 1, parallel and substantially symmetrical with respect to a median plane 2; a pair of poles 5, 5 'having a section of generally circular shape, of radius R, arranged on either side of said median plane 2, along said central axis 1 and separated from an air gap thereby forming a cavity 9; flow returns 17 surrounding said poles 5, 5 'and joining the two said heads 16, 16'; a cold mass structure comprising at least two magnetic induction coils 3 surrounded by said flux returns 17 and surrounding said poles 5,5 '; a source of particles 11 located in said cavity 9 in a first circular zone 6 of radius R1 less than said radius R of said cavity 9 and whose origin is a point of said central axis 1; a high frequency voltage generator 14 located outside the flow returns 17; an accelerating electrode coupled to the high frequency voltage generator 14, the electrode comprising a pair of parallel substantially semicircular plates 12 separated from one another by a gap, situated inside said cavity 9 , extending parallel and symmetrically on either side of the median plane 2 and facing said source; a transmission line 13 surrounding the accelerating electrode 12 and located at a distance from said electrode 12.
[0027] Selon un aspect préféré de l’invention, le champ magnétique généré dans l’entrefer entre les pôles 5, 5’ du synchrocyclotron est choisi de manière à : - ce que le champ magnétique soit suffisamment élevé pour accélérer des particules à une énergie comprise entre 200 et 250 MeV ; - éviter que les particules sortant de la source ne retombent sur celle-ci sous l’action d’un champ magnétique trop élevé ; - minimiser la taille du synchrocyclotron.According to a preferred aspect of the invention, the magnetic field generated in the gap between the poles 5, 5 'of the synchrocyclotron is chosen so that: - the magnetic field is high enough to accelerate particles to a energy between 200 and 250 MeV; to prevent the particles leaving the source from falling on the source under the action of a magnetic field that is too high; - minimize the size of the synchrocyclotron.
Préférablement, le champ magnétique généré dans l’entrefer entre lesdits pôles est compris entre 4 et 7 Teslas, préférablement entre 4 et 6 Teslas. La production d’un tel champ magnétique ne requiert pas l’utilisation de bobines supraconductrices en Nb3Sn. Des bobines supraconductrices en NbTi sont adaptées à la production d’un champ compris entre 3 et 5 Tesla auquel est combiné le champ magnétique généré par la structure ferromagnétique 4 qui est généralement de l’ordre de 2 Teslas. Les bobines supraconductrices en NbTi sont moins coûteuses et plus faciles à mettre en œuvre que les bobines en Nb3Sn.Preferably, the magnetic field generated in the gap between said poles is between 4 and 7 Tesla, preferably between 4 and 6 Tesla. The production of such a magnetic field does not require the use of Nb3Sn superconducting coils. NbTi superconducting coils are adapted to the production of a field of between 3 and 5 Tesla which is combined the magnetic field generated by the ferromagnetic structure 4 which is generally of the order of 2 Tesla. NbTi superconducting coils are less expensive and easier to implement than Nb3Sn coils.
[0028] Selon un aspect préféré de l’invention, la cavité 9 formée par les pôles 5 est caractérisée par un rayon R dont l’origine passe par un point de l’axe central 1 et dont l’extrémité coïncide avec les bords 10 des pôles 5. La hauteur de l’entrefer varie en fonction du rayon de manière à satisfaire aux conditions posées par l’indice de focalisation de champ n. Préférablement, l’entrefer comprend trois zones 6, 7 et 8, en partant de l’axe central vers le bord des pôles : - une première zone 6, préférablement plane (bien que cela ne soit pas une limitation de la présente invention) et circulaire de rayon R1 inférieur au rayon R de la cavité et dont l’origine coïncide avec un point de l’axe central 1, située au voisinage de l’axe central 1 et dont l’entrefer entre les pôles 5 est de hauteur HUntre ; - une seconde zone 7, comprise entre un cercle dudit rayon R1 et un second cercle de rayon R2, inférieur également au rayon R de la cavité et dont l’origine coïncide avec celle du rayon R1, dans laquelle la hauteur de l’entrefer entre les pôles 5 augmente progressivement jusqu’à une hauteur maximum Hmax, de manière à diminuer progressivement le champ magnétique pour assurer une focalisation des particules dans le plan médian 2 ; - une troisième zone 8 comprise entre le cercle de rayon R2 et les bords 10 des pôles, dans laquelle l’entrefer entre les pôles diminue progressivement jusqu’à une hauteur minimum Hmin aux bords 10 des pôles, de manière à réaugmenter le champ magnétique et diminuer l’indice focalisation de champ n avant que l’indice de focalisation de champ n n’arrive à une valeur limite à laquelle les particules oscillant axialement autour d’une orbite d’équilibre entrent en résonance avec les particules oscillant radialement autour de la même orbite d’équilibre.According to a preferred aspect of the invention, the cavity 9 formed by the poles 5 is characterized by a radius R whose origin passes through a point of the central axis 1 and whose end coincides with the edges 10 5. The height of the air gap varies according to the radius so as to satisfy the conditions set by the field focusing index n. Preferably, the gap comprises three zones 6, 7 and 8, starting from the central axis towards the edge of the poles: a first zone 6, preferably flat (although this is not a limitation of the present invention) and circular radius R1 less than the radius R of the cavity and whose origin coincides with a point of the central axis 1, located in the vicinity of the central axis 1 and whose air gap between the poles 5 is of height HUntre; a second zone 7, between a circle of said radius R1 and a second circle of radius R2, also smaller than the radius R of the cavity and whose origin coincides with that of radius R1, in which the height of the gap between the poles 5 gradually increases to a maximum height Hmax, so as to progressively reduce the magnetic field to ensure a focus of the particles in the median plane 2; a third zone 8 between the circle of radius R2 and the edges 10 of the poles, in which the gap between the poles decreases progressively to a minimum height Hmin at the edges of the poles, so as to increase the magnetic field and decreasing the field focusing index n before the field focusing index n reaches a limit value at which the particles oscillating axially around an equilibrium orbit resonate with the particles oscillating radially around the same orbit of balance.
[0029] Selon un aspect préféré de l’invention, le rapport entre la hauteur maximum Hmax de l’entrefer et la hauteur Hcentre de l’entrefer au voisinage de l’axe central est strictement supérieur à 1 et inférieur à 1,5, de manière à faciliter l’usinage de l’intérieur des pôles, tout en satisfaisant aux conditions posées par l'indice de focalisation de champ. Plus préférablement, le rapport Hmax/HCentre est compris entre 1,2 et 1,5.According to a preferred aspect of the invention, the ratio between the maximum height Hmax of the gap and the height Hcentre of the gap in the vicinity of the central axis is strictly greater than 1 and less than 1.5, in order to facilitate the machining of the inside of the poles, while satisfying the conditions set by the field focusing index. More preferably, the ratio Hmax / HCentre is between 1.2 and 1.5.
[0030] Selon un autre aspect préféré de l’invention, toujours dans le but de faciliter l’usinage des pôles 5, l’ensemble desdites seconde 7 et troisième 8 zones comprend une succession de surfaces circulaires biseautées et dont le rayon a pour origine un point dudit axe central, chacune desdites surfaces formant avec sa surface voisine un angle a strictement supérieur à 90°, plus préférablement 91°, encore plus préférablement 92°.According to another preferred aspect of the invention, again with the aim of facilitating the machining of the poles 5, the set of said second 7 and third 8 zones comprises a succession of beveled circular surfaces and whose radius originates from a point of said central axis, each of said surfaces forming with its adjacent surface an angle a strictly greater than 90 °, more preferably 91 °, still more preferably 92 °.
[0031] Selon un autre aspect préféré de l’invention, la hauteur Hcentre de l’entrefer au voisinage de l’axe central 1 est supérieure à 10 cm, plus préférablement supérieure à 15cm, plus préférablement supérieure à 18,4 cm. La hauteur Hcentre de l’entrefer au voisinage de l’axe central, plus élevée par rapport aux synchrocyclotrons de l’art antérieur, permet une insertion plus aisée de la source et du circuit d’oscillation haute fréquence comprenant les électrodes accélératrices et la ligne de transmission.According to another preferred aspect of the invention, the height Hcentre of the gap in the vicinity of the central axis 1 is greater than 10 cm, more preferably greater than 15 cm, more preferably greater than 18.4 cm. The height Hcentre of the gap in the vicinity of the central axis, higher compared to the prior art synchrocyclotrons, allows easier insertion of the source and the high frequency oscillation circuit comprising the accelerating electrodes and the line of transmission.
[0032] L’élargissement de l’entrefer permet par exemple d’augmenter le gap entre les deux plaques 12 de l’électrode accélératrice de manière à éviter une collision des particules avec les dites plaques 12. L’élargissement de l’entrefer permet également d’augmenter la distance entre l’électrode accélératrice et la ligne de transmission 13, ce qui réduit la capacité entre ces deux composants et permet au générateur de tension 14 de fournir une tension alternative haute fréquence à l’électrode accélératrice avec moins de puissance.The widening of the gap allows for example to increase the gap between the two plates 12 of the accelerating electrode so as to avoid a collision of particles with said plates 12. The widening of the air gap allows also to increase the distance between the accelerating electrode and the transmission line 13, which reduces the capacitance between these two components and allows the voltage generator 14 to provide a high frequency alternating voltage to the accelerating electrode with less power .
[0033] Selon un autre aspect préféré de l’invention, la hauteur Hcentre élevée dans la région de l’entrefer avoisinant l’axe central permet l’insertion d’une source de manière latérale plutôt que de manière axiale. L’insertion de la source peut se faire, par exemple, au moyen d’un support 15 provenant de l’extérieur de la cavité et comprenant des conduits pour la circulation du gaz dans la source, ainsi que des connexions électriques pour l’allumage de la source. L’insertion d’une source de manière latérale dispense le forage d’un trou dans la culasse 16, 16’ et les pôles 5, 5’, ce qui supprime la variation négative de l’indice de focalisation de champ dans la région de l’entrefer avoisinant l’axe central 1 et permet l’utilisation d’une source de diamètre moins réduit que dans les synchrocyclotrons de l’art antérieur. De cette manière, la source peut produire un courant de particules plus élevé. Aussi, avec la suppression de la variation négative de l’indice de champ dans la région de l’entrefer avoisinant l’axe central, les problèmes de défocalisation des particules à la sortie de la source sont minimisés et les anneaux de compensation de champ tels qu’utilisés dans les synchrocyclotrons de l’art antérieur deviennent facultatifs, ce qui simplifie cette région.According to another preferred aspect of the invention, the height Hcentre high in the region of the air gap near the central axis allows the insertion of a source laterally rather than axially. The insertion of the source can be done, for example, by means of a support 15 coming from outside the cavity and comprising conduits for the circulation of the gas in the source, as well as electrical connections for ignition from the source. The insertion of a source in a lateral manner exempts the drilling of a hole in the cylinder head 16, 16 'and the poles 5, 5', which eliminates the negative variation of the field focusing index in the region of the gap near the central axis 1 and allows the use of a smaller diameter source than in the prior art synchrocyclotrons. In this way, the source can produce a higher particle current. Also, with the suppression of the negative variation of the field index in the region of the gap near the central axis, the defocusing problems of the particles at the exit of the source are minimized and the field compensation rings such as used in prior art synchrocyclotrons become optional, which simplifies this region.
[0034] Dans un exemple, non limitatif, de réalisation d’un synchrocyclotron selon la présente invention, le champ magnétique moyen dans l’entrefer entre les deux pôles est de 5,6 Teslas. La hauteur de l’entrefer entre les pôles dans la région avoisinant l’axe central Hcentre est de 18,4 cm et la hauteur de l’entrefer maximum Hmax est de 25.3 cm. Dans ce synchrocyclotron, le rapport Hmax/Hcentre égal à 1.375. La distance z(cm) séparant les pôles du plan médian en fonction du rayon des pôles r(cm) est donnée dans le tableau 1. Le rayon externe et la hauteur du synchrocyclotron sont respectivement de 125 cm et de 156cm. Pour un champ magnétique comparable, les dimensions de cet exemple de la présente invention sont inférieures au cyclotron décrit par Wu (champ magnétique produit dans la cavité : 5,53 Teslas, hauteur du synchrocyclotron : 173,4 cm, rayon externe du synchrocyclotron : 132,3 cm). Toujours dans ce même exemple de la présente invention, le gap entre les plaques de l’électrode accélératrice est de 2 cm, et le gap entre ces plaques et la ligne de transmission est de 7,4cm.In an example, not limiting, embodiment of a synchrocyclotron according to the present invention, the average magnetic field in the air gap between the two poles is 5.6 Tesla. The height of the gap between the poles in the region around the central axis Hcentre is 18.4 cm and the height of the maximum air gap Hmax is 25.3 cm. In this synchrocyclotron, the ratio Hmax / Hcentre equal to 1.375. The distance z (cm) separating the poles of the median plane as a function of the radius of the poles r (cm) is given in Table 1. The external radius and the height of the synchrocyclotron are respectively 125 cm and 156 cm. For a comparable magnetic field, the dimensions of this example of the present invention are lower than the cyclotron described by Wu (magnetic field produced in the cavity: 5.53 Teslas, height of the synchrocyclotron: 173.4 cm, external radius of the synchrocyclotron: 132 , 3 cm). Still in this same example of the present invention, the gap between the plates of the accelerating electrode is 2 cm, and the gap between these plates and the transmission line is 7.4 cm.
[0035] Il est à préciser que l’homme du métier peut optimiser le profil des pôles en fonction de la position des bobines par rapport au plan médian, ainsi que par les dimensions et forme de cette bobine, tout en se plaçant dans des conditions où la hauteur de l’entrefer entre les deux pôles dans ladite première zone est supérieure à 10 cm, où le rapport de la hauteur de l’entrefer maximum Hmax sur la hauteur de l’entrefer minimum Hcentre dans la première zone (6) est compris entre 1,1 et 1,5, plus préférablement entre 1,2 et 1,5. Dans l’exemple ci-dessus, les bobines ont un rayon interne de 55,4 cm centré sur l’axe central 1, une largeur de 13 cm et une hauteur de 28,1cm, et sont distantes l’une de l’autre de 20cm.It should be noted that the skilled person can optimize the profile of the poles as a function of the position of the coils relative to the median plane, as well as the dimensions and shape of this coil, while placing in conditions where the height of the air gap between the two poles in said first zone is greater than 10 cm, where the ratio of the height of the maximum air gap Hmax to the height of the minimum air gap Hcentre in the first zone (6) is between 1.1 and 1.5, more preferably between 1.2 and 1.5. In the example above, the coils have an internal radius of 55.4 cm centered on the central axis 1, a width of 13 cm and a height of 28.1 cm, and are distant from each other of 20cm.
[0036] La présente invention concerne également une méthode de fabrication d’un synchrocyclotron comprenant deux pôles séparés par un entrefer, la méthode comprenant les étapes de : - fixation de la hauteur de l’entrefer au voisinage de l’axe central Hœntre telle que ladite hauteur Hcentre soit supérieure à 10 cm, préférablement supérieure à 15 cm, préférablement supérieure à 18,4 cm et inférieure à 37 cm ; - fixation d’une hauteur maximale de l’entrefer Hmax telle que celle-ci soit strictement supérieure à la hauteur Hcentre et inférieure à 1,8 fois la hauteur Hcentre ; - fixation d’un champ magnétique dans des bobines d’induction magnétique entourant les pôles formant la cavité accélératrice de particules ; - optimisation du profil des pôles et des dimensions et position des bobines d’induction magnétique en tenant compte de Hcentre et Hmax ainsi que du champ magnétique dans les bobines, de manière à obtenir une cavité accélératrice de particules comprise entre lesdits pôles dont l’entrefer entre lesdits pôles satisfait aux conditions posées par l’indice de focalisation de champ n.The present invention also relates to a method of manufacturing a synchrocyclotron comprising two poles separated by an air gap, the method comprising the steps of: - fixing the height of the gap in the vicinity of the central axis Hœntre such that said height Hcentre is greater than 10 cm, preferably greater than 15 cm, preferably greater than 18.4 cm and less than 37 cm; - fixing a maximum height of the air gap Hmax such that it is strictly greater than the height Hcentre and less than 1.8 times the height Hcentre; - Fixing a magnetic field in magnetic induction coils surrounding the poles forming the accelerating particle cavity; optimizing the profile of the poles and the dimensions and position of the magnetic induction coils, taking into account the center and the Hmax, as well as the magnetic field in the coils, so as to obtain an accelerating particle cavity between said poles, including the air gap; between said poles satisfies the conditions set by the field focusing index n.
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