CA2495458A1 - Accelerateur de particules - Google Patents

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Pierre Mandrillon
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    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H13/00Magnetic resonance accelerators; Cyclotrons

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

La présente invention concerne un accélérateur (1) de particules comportant au moins un premier cyclotron (10), et un deuxième cyclotron (20) entourant le premier et configuré pour accélérer des particules issues du premier cyclotr on.

Description

Accélérateur de particules La présente invention concerne les accélérateurs de particules et plus particulièrement, mais non exclusivement, ceux destinés à délivrer un faisceau d'intensité
relativement élevée, par exemple supérieure ou égale à 5 mA, de particules hautement énergétiques.
On connait par l' article CYCLOTRONS IN RADIOTHERAPY, publié dans CERN ACCELERATOR SCHOOL, CYCLOTRONS, L1NACS AND THEIR
APPLICATIONS, GENEVA 96, suite au séminaire ayant eu lieu en Belgique du 2i~
avril au 5 mai 1994, un accélérateur comportant deux cyclotrons disposés côte-à-côte, le premier étant agencé pour accélérer des ions H- et le deuxième, encore appelé
« booster », des protons H+ après passage d'un faisceau de particules neutres H°
issues du premier cyclotron au travers d'un éplucheur électronique. Un tel accélérateur est relativement complexe et encombrant.
L'invention a pour objet un nouvel accélérateur de particules, comportant au moins - un premier cyclotron, - un deuxième cyclotron, entourant le premier, et configuré pour accélérer des particules issues du premier cyclotron.
L'invention permet de bénéficier d'un accélérateur fiable et capable de générer un faisceau intense de particules d'énergie élevée. Du fait de la disposition des deux cyclotrons l'un autour de l'autre, l'encombrement est réduit et l'injection des particules chargées accélérées par le premier cyclotron dans le deuxième cyclotron est simplifiée. En particulier, les plans médians des premier et deuxième cyclotrons peuvent être sensiblement coplanaires, de telle sorte que les particules accélérées quittant le premier cyclotron n'ont pas à être déviées verticalement avant d'être injectées dans le deuxième cyclotron, ce qui peut permettre de faire l'économie de déflecteurs magnétiques et/ou électrostatiques et de réduire les pertes et les risques d'activation des équipements. Enfin, le trajet entre les deux cyclotrons peut être relativement court, de sorte que les problèmes de charge d'espace sont moindres.
Le premier cyclotron peut être du type compact, par opposition à un cyclotron du type à secteurs séparés. Le deuxième cyclotron peut être du type à secteurs séparés.
Par « cyclotron de type compact », il faut comprendre un cyclotron COPIE DE CONFIRMATION
2 comportant au moins une bobine circulaire associée à l'ensemble de sa structure magnétique. Par « cyclotron à secteurs séparés », il faut comprendre un cyclotron comportant une pluralité de secteurs magnétiques autonomes. On pourra se référer à la publication précitée, dont le contenu est incorporé par référence.
Le premier cyclotron peut être supraconducteur ou non.
Selon un aspect de l'invention, les faisceaux de particules délivrés par les premier et deuxième cyclotrons comportent des particules de natures différentes.
Ainsi, dans un exemple de mise en oeuvre, le faisceau délivré par le premier cyclotron comporte des ions moléculaires, par exemple des ions H~+ ou H3~.
L'accélérateur peut comporter un éplucheur et le faisceau accéléré par le deuxième cyclotron peut être généré en interceptant le faisceau de particules délivré
par le premier cyclotron avec l'éplucheur. Le faisceau délivré par le deuxième cyclotron peut être constitué de protons H+.
On entend par « éplucheur », encore appelé « stripper », un dispositif comportant une feuille à travers laquelle on fait passer un faisceau de particules, cette feuille étant réalisëe dans un matériau apte à « retenir » certaines particules élémentaires, par exemple des électrons é et à laisser passer les autres. L' éplucheur peut comporter, par exemple, une mince feuille de carbone.
Dans un mode de mise en oeuvre de l'invention, l'éplucheur est un éplucheur électronique permettant de retenir des électrons appartenant aux ions moléculaires du faisceau délivré par le premier cyclotron, afin de générer les protons H+
constitutifs du faisceau délivré par le deuxième cyclotron.
Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, l'éplucheur se situe à
l'intérieur du deuxième cyclotron, dans l'entrefer d'un secteur magnétique.
L'accélérateur peut comporter une ligne d'injection axiale associée d'une part à une source d'ions, par exemple des ions H~+ ou H3~ et d'autre part au premier cyclotron.
Selon un aspect de l'invention, l'accélérateur comporte un dispositif de contrôle apte à mesurer l'intensité du courant électrique délivré par l'éplucheur et à
commander, en fonction de ce courant et d'une valeur de consigne, un actionneur apte à
modifier l'intensité du premier faisceau de particules accélérées délivré par le premier cyclotron.
L'actionneur peut comporter, par exemple, au moins un dispositif de
3 commande d'un groupeur HF, encore appelé « buncher », apte à agir sur le regroupement dans l'espace des particules injectées dans le premier cyclotron, ce groupeur pouvant appartenir à la ligne d'injection axiale précitée.
Le premier cyclotron peut être configuré de telle sotie que Ies particules accélérées effectuent un nombre de touas compris par exemple entre 10 et 30 avant de quitter celui-ci. Le nombre de tours effectué dans le premier cyclotron peut ainsi être relativement faible, de sorte que l'écart mesuré selon un rayon entre les différentes orbites des particules peut être suffisamment grand pour permettre une extraction relativement facile du faisceau sur l'orbite finale. Le faisceau de particules accéléré par le premier cyclotron peut ainsi quitter celui-ci sans avoir à traverser un éplucheur.
L'invention a encore pour objet l'utilisation d'un accélérateur tel que défini plus haut pour alimenter un système piloté par accélérateur, encore appelé
ADS, notamment - un amplificateur d'énergie, - un réacteur nucléaire sous critique, ou - un transmuteur de déchets nucléaires.
L' invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillëe qui va suivre, d'un exemple de mise en oeuvre non limitatif, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel - la figure 1 est une vue schématique et partielle, en coupe axiale, illustrant un exemple de mise en oeuvre de l'invention, - la figure 2 représente isolément, en perspective schématique et partielle avec arrachement, le premier cyclotron, - la figure 3 est une vue schématique et partielle, de dessus, du deuxième cyclotron, et - la figure 4 est un schéma en blocs illustrant la régulation de l'intensité
du faisceau délivré par l'accélérateur.
On a représenté sur la figure 1 un accélérateur 1 comportant un premier cyclotron 10 et un deuxième cyclotron 20 disposé autour du premier, par exemple coaxial à celui-ci, et servant de booster.
Le premier cyclotron 10, du type compact et isochrone, est représenté
isolément sur la figure 2. Ce cyclotron est dans l'exemple décrit supraconducteur et
4 comporte, à l'intérieur d'une enceinte cryogénique 11, au moins une bobine circulaire 12, représentée avec arrachement sur la figure 2. Cette bobine 12 est configurée pour générer un champ magnétique dans une structure magnétique fermée, encore appelée «
yoke », comportant des pôles sur lesquels sont installés des secteurs 13 spiralés ou radiaux et réalisés dans un matériau perméable au champ magnétique, de façon connue en soi.
Des cavités résonnantes 14 sont disposées entre les secteurs magnétiques 13, également de manière connue en soi, pour accélérer les particules sous l'effet d'un champ électrique radiofréquence, par exemple de fréquence voisine de 70 MHz.
Le premier cyclotron 10 est associé à une source d'ions 15, par exemple une source d'ions moléculaires Ha+ et à une ligne d'injection axiale 16 permettant de diriger les ions émis par la source 15 vers une région centrale du cyclotron à partir de laquelle les particules vont être accélérëes en suivant une trajectoire sensiblement en forme de spirale.
Le deuxième cyclotron 20 est du type isochrone à secteurs séparés et comporte une pluralité de secteurs magnétiques 21 alternant avec des cavités radiofréquence 22 disposées de manière à accélérer les particules entre deux secteurs magnétiques 21.
Les deux cyclotrons 10 et 20 sont reliés par un conduit 31 dans lequel, dans l'exemple considéré, règne le même vide que dans les deux cyclotrons.
Chaque secteur 21 est autonome sur le plan magnétique, c'est-à-dire comporte ses propres moyens permettant de générer le champ magnétique, par exemple une bobine 23.
Un éplucheur électronique 24 comportant une mince feuille de carbone, par exemple ayant une épaisseur de l'ordre de 100 nm, est disposé dans l'entrefer de l'un des secteurs magnétiques 21, à proximité de son extrémité radialement la plus intérieure.
Cet éplucheur 24 permet d'arracher des électrons è du faisceau incident.
Ainsi dans l'exemple considéré, les ions moléculaires H2+ sont transformés à
la traversée de l'éplucheur 24 en un faisceau de protons H+.
L'éplucheur 24 est isolé électriquement de manière à permettre une lecture du courant électrique collecté. Dans l'exemple illustré, ce courant est mesuré
par un dispositif de contrôle 30 agencé pour commander un actionneur 18 permettant de modifier l'intensité du faisceau de particules accélérées émis par le premier cyclotron. Le dispositif de contrôle 30 peut être agencé de manière à commander l'actionneur 18 en fonction d'une intensité de consigne I~, ce qui peut permettre de réguler précisément l'intensité du faisceau de particules accélérées émis par le deuxième cyclotron.
L'actionneur 18 peut être constitué, par exemple, par tout dispositif de commande d'un groupeur HF de la ligne d'injection axiale 16.
5 Le fonctionnement de l'accélérateur 1 est le suivant. Les ions H2+ émis par la source 15 sont injectés par la ligne d'injection axiale 16 dans le premier cyclotron 10 et sont accélérés suivant le plan médian P du premier cyclotron 10. Ils quittent celui-ci dans l'exemple considéré au terme d'un nombre de tours relativement faible, par exemple voisin de 25. L'intensité du faisceau de particules H2+ quittant le premier cyclotron est par exemple de l'ordre de 5 mA et l'énergie des ions H2+ de l'ordre de 10 à 25 MeV.
Le conduit 31 permet aux particules accélérées par le premier cyclotron d'atteindre le deuxième cyclotron où elles impactent l'éplucheur 24 et se transforment en protons H+ qui vont être accélérés à leur tour dans le plan médian P du deuxième cyclotron 20. Ce dernier peut délivrer une intensité qui est, par exemple, supérieure ou égale à 10 mA, les protons H+ ayant une énergie supérieure à 10 MeV. La transformation des ions H2+ en protons H+ à la traversée de l'éplucheur 24 permet de doubler l'intensité
du faisceau.
Le dispositif de contrôle 30 permet de réguler l'intensité du faisceau de protons H+ émis par le deuxième cyclotron et de la maintenir à une valeur, constante ou non, fonction de la valeur de consigne IC, cette dernière pouvant être variable dans le temps.
L'accélërateur de particules 1 selon l'invention peut trouver de nombreuses applications et être utilisé notamment en association avec un amplificateur d'énergie tel que décrit par exemple dans le brevet européen EP 0 725 967, ou avec un transmuteur tel que décrit dans la demande internationale WO 98/59347.
L' invention n' est bien entendu pas limitée à l' exemple qui vient d' être décrit.
On peut notamment, sans sortir de son cadre, utiliser un cyclotron non supraconducteur pour pré-accélérer les particules.
La source d'ions peut être autre qu'une source H2+, par exemple une source H3+ ou H-.
Dans toute la description, y compris les revendications, l'expression « comportant un » doit être comprise comme signifiant « comportant au moins un », sauf si le contraire est spécifié.

Claims (21)

REVENDICATIONS
1. Accélérateur (1) de particules, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins :
- un premier cyclotron (10), - un deuxième cyclotron (20) entourant le premier et configuré pour accélérer des particules issues du premier cyclotron.
2. Accélérateur selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que le premier cyclotron (10) est un cyclotron de type compact.
3. Accélérateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le deuxième cyclotron (20) est un cyclotron du type à secteurs séparés.
4. Accélérateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les premier (10) et deuxième (20) cyclotrons sont du type isochrone.
5. Accélërateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les particules accélérées par le premier cyclotron sont des particules de nature différente de celle des particules accélérées par le deuxième cyclotron.
6. Accélérateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le faisceau de particules accélérées par le premier cyclotron comporte des ions moléculaires.
7. Accélérateur selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que les particules accélérées par le premier cyclotron sont constituées par des ions H2+.
8. Accélérateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte un éplucheur (24) et par le fait que le faisceau de particules accélérées par le deuxième cyclotron est généré par la traversée de l'éplucheur par le faisceau de particules issues du premier cyclotron.
9. Accélérateur selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que l'éplucheur (24) se situe à l'intérieur du deuxième cyclotron (20).
10. Accélérateur selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé par le fait que l'éplucheur (24) comporte une feuille mince de carbone.
11. Accélérateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les particules accélérées par le deuxième cyclotron sont constituées par des protons H+.
12. Accélérateur selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé
par le fait qu'il comporte un dispositif de contrôle (30) apte à mesurer l'intensité du courant délivré par l'éplucheur (24) et à commander, en fonction de ce courant, un actionneur (18) apte à modifier l'intensité du faisceau de particules délivré
par le premier cyclotron.
13. Accélérateur selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que l'actionneur (18) comporte au moins un dispositif de commande d'un groupeur HF
apte à
agir sur le groupement des particules injectées dans le premier cyclotron.
14. Accélérateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le premier cyclotron (10) est associé à une ligne d'injection axiale (16).
15. Accélérateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le premier cyclotron (10) est configuré pour que les particules accélérées effectuent un nombre de tours dans le premier cyclotron compris entre 10 et 30.
16. Accélérateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le faisceau de particules accélérées par le premier cyclotron quitte ce dernier sans traverser d'éplucheur.
17. Accélérateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le premier cyclotron (10) est supraconducteur.
18. Utilisation d'un accélérateur tel que défini dans l'une quelconque des revendications précédentes pour alimenter un système piloté par accélérateur.
19. Utilisation selon la revendication 18, caractérisée par le fait que ledit système comporte un amplificateur d' énergie.
20. Utilisation selon la revendication 18, caractérisée par le fait que ledit système comporte un réacteur nucléaire sous critique.
21. Utilisation selon la revendication 18, caractérisée par le fait que ledit système comporte un transmuteur de déchets nucléaires.
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