FR2691602A1 - Accélérateur linéaire de protons à focalisation améliorée et impédance shunt élevée. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne les accélérateurs linéaires de protons du type à onde progressive à couplage magnétique du type décrit dans la demande de brevet ndegré 91 09292 déposée le 23 juillet 1991. Pour un faisceau de protons d'énergie de l'ordre de 200 MeV et d'intensité moyenne de l'ordre de plusieurs dizaines de nanoampères, il est nécessaire d'obtenir une meilleure focalisation du faisceau en utilisant des moyens magnétiques tels qu'un quadrupôle (60) qui entoure une structure accélératrice (61) et qui comporte quatre conducteurs (A, B, C, D) disposés de manière hélicoïdale de manière à créer un champ quadrupolaire tournant de manière continue le long de la structure accélératrice. Par ailleurs, pour diminuer l'échauffement, on diminue l'impédance shunt par des dimensions et formes optimales de chaque cellule accélératrice. L'invention est applicable aux accélérateurs utilisés en protonthérapie.

Description

ACCELERATEUR LINEAIRE DE PROTONS A
FOCALISATION AMELIOREE ET IMPEDANCE SHUNT ELEVEE
L'invention concerne des perfectionnements apportés aux accélérateurs linéaires de protons en vue d'obtenir des faisceaux de protons ayant des énergies et des intensités élevées.

Dans la demande de brevet déposée le 23 juillet 1991 sous le numéro 91 09292 par la demanderesse, il a été décrit un accélérateur de protons à l'aide d'une onde progressive à couplage magnétique. Cet accélérateur comprend (figure 1) une source de protons 11 de type classique qui fournit sur sa sortie 15 un faisceau de protons, matérialisé par une flèche 16, flèche qui indique également le sens de propagation dudit faisceau.

Le faisceau de protons 16 qui a, par exemple, une énergie voisine du MeV, pénètre dans une première structure accélératrice 12 à plusieurs cellules par un orifice d'entrée 17 où il est soumis à une première pluralité d'accélérations de maniere a atteindre une certaine énergie, par exemple 10 MeV, à un orifice de sortie 18 (flèche 161). Le faisceau de sortie 161 pénètre dans une seconde structure accélératrice 13 à plusieurs cellules par un orifice d'entrée 18' qui soumet le faisceau de protons à une seconde pluralité d'accélérations de manière à atteindre à un orifice de sortie 19 une énergie supérieure à 11 énergie d'entrée, par exemple 100 MeV (flèche 162).Enfin, le faisceau de protons 162, issu de l'orifice de sortie 19, pénètre dans une troisième structure accélératrice 14 à plusieurs cellules par un orifice d'entrée 20 où il est soumis à une troisième pluralité d'accélérations de manière à atteindre une énergie supérieure à l'énergie d'entrée, par exemple 200 MeV, à un orifice de sortie 21 (flèche 163).

Les trois structures accélératrices 12, 13 et 14 sont toutes du type à onde progressive à couplage magnétique, couplage qui est matérialisé par des orifices 33 percés dans les parois transversales des cellules adjacentes, ces orifices étant traversés par une flèche 331 dont le sens indique celui du couplage magnétique.

Les trois structures accélératrices 12, 13 et 14 sont alimentées en énergie hyperfréquence, par exemple à la fréquence 2.998 Mégahertz, par une source 22 dont la borne de sortie 23 est connectée aux différentes structures accélératrices par des guides d'ondes 24, 25 et 26. La source d'énergie hyperfréquence 22 est, par exemple, constitué d'un klystron associé à un modulateur de manière à fournir, par exemple, des impulsions d'une durée de 3 microsecondes environ et d'une puissance crête de 70 mégawatts environ.

L'accélérateur linéaire de protons qui vient d'être décrit en relation avec la figure 1 peut fournir un faisceau de protons ayant une énergie de 200 MeV environ et une intensité moyenne de quelques microampères. Dans un tel accélérateur, les aspects difficiles à réaliser sont la focalisation du faisceau et la valeur élevée de l'impédance shunt pour diminuer les pertes.

La présente invention a donc pour but de perfectionner sur ces aspects un tel accélérateur linéaire de protons du type à onde progressive et à couplage magnétique.

L'invention concerne un accélérateur linéaire de protons du type à onde progressive pour obtenir un faisceau de protons ayant une focalisation améliorée et une impédance shunt élevée, ledit accélérateur comportant une source qui fournit un faisceau de protons se propageant à une vitesse inférieure à la lumière, au moins une structure accélératrice du type à onde progressive à couplage magnétique entre les différentes cellules adjacentes avec une focalisation et une impédance shunt déterminées, et au moins un klystron fournissant l'énergie haute fréquence à ladite structure accélératrice, ledit accélérateur linéaire étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre - des moyens magnétiques disposés à des emplacements
déterminés le long et autour de la structure
accélératrice pour créer des champs magnétiques de
focalisation dudit faisceau de protons, et - des cellules accélératrices présentant chacune un bec
en forme de tube de glissement cylindrique dont la
longueur est voisine de la moitié de la longueur de la
cellule concernée.

D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'exemples particuliers de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'un accélérateur
linéaire de protons du type à onde progressive à
couplage magnétique auquel s1 applique la présente
invention ; - la figure 2 est une vue schématique des structures
accélératrices de la figure 1 comportant des moyens
magnétiques de focalisation selon l'invention ;; - la figure 3 montre, schématiquement, un dispositif de
couplage disposé entre deux structures accélératrices
qui sont séparées par des moyens magnétiques de
focalisation - la figure 4 est une vue schématique en coupe
transversale d'un quadrupôle magnétique utilisé pour
focaliser le faisceau de protons entre deux structures
accélératrices ; - la figure 5 est une vue schématique en coupe
transversale d'un exemple particulier de réalisation
d'un quadrupôle magnétique utilisé pour focaliser le
faisceau de protons dans la structure accélératrice - la figure 6 est une vue schématique du quadrupôle
magnétique de la figure 5 montrant la disposition des
conducteurs le long de la structure accélératrice ;; - la figure 7 est une vue schématique en coupe
transversale d'un autre exemple de réalisation d'un
quadrupôle magnétique similaire à celui des figures 5
et 6 mais fonctionnant à la température de
supraconductivité - la figure 8 est une vue schématique en coupe
transversale d'un autre exemple de réalisation d'un
quadrupôle magnétique utilisé pour focaliser le
faisceau de protons dans la structure utilisatrice ; - la figure 9 est une vue schématique du quadrupôle
magnétique de la figure 8 montrant la disposition des
conducteurs le long de la structure accélératrice ; ; la figure 10 est une vue schématique en coupe
longitudinale d'une demi-cellule accélératrice de
haute impédance et de puissance moyenne modérée
montrant un tube de glissement quasi-cylindrique et sa
courbure de raccordement à la paroi transversale de
séparation entre deux cellules adjacentes ;; - la figure 11 est une vue schématique en coupe
longitudinale d'une demi-cellule accélératrice
d'impédance modérée et de grande puissance moyenne
montrant une paroi d'iris optimisée de forme conique
et l'emplacement de l'orifice de couplage magnétique
entre deux cellules accélératrices adjacentes proche
de l'axe, et - la figure 12 est un diagramme montrant les courbes des
valeurs de l'impédance shunt en fonction de la vitesse
des protons pour des ondes progressives directes ou
inverses obtenues avec les géométries précédentes pour
différentes valeurs du déphasage.

Dans les différentes figures, les références identiques désignent les mêmes éléments en vue des mêmes résultats.

La figure 1 a été décrite dans le préambule pour définir l'accélérateur linéaire de protons, connu par ailleurs, auquel s'appliquent les perfectionnements selon l'invention.

Ces perfectionnements consistent à créer le long du faisceau de protons des champs magnétiques assurant le maintien des protons près de l'axe. Ces champs magnétiques sont créés soit par des solénoïdes, soit par des quadrupôles, fonctionnant à température ordinaire ou à température de supraconductivité. Les solénoïdes et les quadrupôles peuvent être disposés soit autour du faisceau de protons entre deux structures accélératrices ou tronçons de structures accélératrices, soit autour de chaque structure accélératrice ou tronçon de structure accélératrice.

La figure 2 représente, de manière schématique, une forme préférée de réalisation d'un accélérateur linéaire de protons, du type de celui décrit en relation avec la figure 1, et comportant des moyens magnétiques de focalisation du faisceau de protons réalisés et disposés selon l'invention.

La structure accélératrice 12, qui correspond à des vitesses faibles "v" des protons du faisceau de l'ordre de 10 à 20 % de la vitesse "c" de la lumière (p=v/c=0,1 à 0,2) est divisée en plusieurs tronçons 121, 122, 123, 124, qui sont séparés par des espaces dans lesquels sont disposés les moyens magnétiques de focalisation, de préférence trois quadrupôles 401, 402, 403. Entre les différents tronçons de la structure accélératrice, le couplage hyperfréquence est réalisé par un dispositif de couplage 4121, 4132, 4143 qui est constitué (figure 3), par exemple, par un guide d'onde 42 comportant une ouverture 43 à chaque extrémité. Chaque ouverture 43 coopère avec une ouverture sur la paroi périphérique d'une cellule d'extrémité des deux tronçons consécutifs, savoir la dernière cellule 44 du tronçon 121 et la première cellule 45 du tronçon 122.

Chaque quadrupôle 401, 402, ou 403 est de réalisation classique et comprend (figure 4) quatre pôles magnétiques 46, 47, 48 et 49, respectivement de polarités NORD, SUD, NORD, SUD, qui sont répartis à angle droit autour du faisceau 16 de protons et à proximité de ce dernier. Ces pôles 46 à 49 sont portés par une structure 50 en matériau magnétique sur laquelle se referment les différents flux magnétiques. Ces pôles magnétiques sont créés par des conducteurs 51 à 54 qui sont parcourus par des courants de sens et de valeurs appropriés. La détermination des valeurs de ces courants et des longueurs respectives des tronçons 121, 122, 123 et 124 est à la portée de l'homme de métier et ne sera pas décrite plus en détails.Cependant, à titre indicatif, chaque tronçon 121, 122, 123, 124 peut avoir une longueur de 20 centimètres environ et chaque quadrupôle peut avoir une longueur de 10 centimètres environ de sorte que la structure accélératrice 12 a une longueur de 1,20 mètre environ.

Dans le cas d'un quadrupôle, la focalisation n'est effective que dans un plan et il est donc nécessaire que le quadrupôle suivant réalise la focalisation dans le plan perpendiculaire au premier. Ceci est obtenu en tournant autour de l'axe du faisceau le deuxième quadrupôle de 900 par rapport au premier.

Pour des vitesses des protons telles que le rapport ss est supérieur à 0,2, l'invention propose d'utiliser des moyens magnétiques 55, solénoïdes et/ou quadrupôles, qui sont disposés à l'extérieur des structures accélératrices 13 et 14 et qui s'étendent longitudinalement sur tout ou partie de la longueur des structures accélératrices.

Dans le cas d'un ou plusieurs solénoïdes, eu égard aux champs magnétiques de valeurs élevées à obtenir, ils fonctionneront exclusivement à la température de supraconductivité.

Dans le cas de quadrupôles, il est possible de fonctionner à la température ordinaire pour des valeurs élevées de ss, par exemple égales ou supérieures à 0,4 car la distance focale est supérieure à 0,5 mètre. Pour des valeurs de ss inférieures à 0,4, la distance focale devient inférieure à 0,5 mètre et il est nécessaire d'augmenter la valeur du champ magnétique et donc du courant, de sorte que l'approche à température ordinaire devient trop consommatrice de puissance. Dans ce cas, il est recommandé, soit de fonctionner à la température de supraconductivité, soit de tronçonner la structure accélératrice de manière à alterner accélération et focalisation comme on l'a décrit ci-dessus en relation avec la structure 12.

Dans le cas de quadrupôles entourant la structure accélératrice 13 ou 14, il est possible d'utiliser des quadrupôles de réalisation classique similaires à celui décrit en relation avec la figure 4, soit de préférence un quadrupôle selon les variantes qui seront décrites en relation avec les figures 5, 6, 7, 8 et 9.

Dans une première variante (figures 5, 6 et 7), les conducteurs du quadrupôle ont un trajet hélicoïdal, suivant la longueur de la structure accélératrice, le pas de l'hélice étant égal à quatre fois la distance focale à obtenir. Ainsi, sur les figures 5 et 6, un quadrupôle 56 a la forme d'un cylindre 60, en matériau magnétique, qui entoure la paroi extérieure cylindrique 61 en cuivre de la structure accélératrice. La paroi intérieure du cylindre 60 comporte quatre rainures hélicoïdales 62, 63, 64 et 65 réalisant chacune un quart de tour. Ces rainures 62 à 65 sont utilisées pour loger chacune quatre conducteurs par exemple (A, B, C, et D), isolés les uns des autres par des cloisons isolantes 66.

Les conducteurs d'une rainure 62 sont connectés à une première extrémité à ceux de la rainure 63, puis ces derniers à ceux de la rainure 64 à l'autre extrémité et ainsi de suite de manière que ceux de la rainure 65 soient connectées à ceux de la rainure 62 à la deuxième extrémité de cette dernière.

Cette disposition hélicoïdale apparaît plus clairement sur la figure 6 dans laquelle la surface extérieure de la paroi 61 de la structure accélératrice a été montrée en plan en indiquant le trajet des ensembles de conducteurs A, B, C et D, les sens des courants dans ces conducteurs et les sens des champs magnétiques quadrupolaires obtenus B1, B2, B3 et B4. Sur ces figures 5 et 6, les cellules accélératrices portent la référence 67 et les tubes de glissement la référence 68.

A titre indicatif, on peut utiliser 4x4 conducteurs de lcm2 de section utile sur 10 mètres, soit 160 mètres de longueur totale et une résistance de 0,032 ohm pour du cuivre à 500C. Ces conducteurs sont parcourus par un courant de 650 ampères, ce qui correspond à une tension de 21 volts et une puissance de 13,5 Kilowatts pour focaliser des protons selon un rayon polaire de 4 centimètres à 50 MeV ; la distance focale quadrupolaire est alors de 0,5 mètre.

La figure 7 est une variante, du type supraconducteur, de l'exemple particulier de réalisation des figures 5 et 6. La paroi 61 de la structure accélératrice est entourée par une enceinte cryogénique 85 à la température de supraconductivité dans laquelle les conducteurs A, B, C et D, confondus sous forme d'une bande 86, sont disposés de manière hélicoïdale sur un mandrin 87 et connectés entre eux aux extrémités du mandrin pour réaliser un conducteur unique.

Les exemples de réalisation des figures 5, 6 et 7 sont relatifs à un quadrupôle qui s'étend sur toute la longueur de la structure accélératrice à laquelle il est associé, les rainures dans lesquelles sont placés les conducteurs étant disposées de manière hélicoïdale autour et le long de la structure accélératrice de manière à obtenir une focalisation continue du faisceau de protons sur toute sa périphérie au fur et à mesure du déplacement dans la structure.

Les figures 8 et 9 représentent un autre exemple de réalisation des moyens magnétiques de focalisation selon l'invention dans lequel la focalisation du faisceau de protons n'est pas obtenue de manière continue au fur et à mesure du parcours des conducteurs sur le chemin hélicoïdale mais par des rotations de 900 des conducteurs autour de la structure à des emplacements déterminés de manière à tourner le champ quadrupolaire de 900 à chaque rotation.

A cet effet, le quadrupôle est constitué d'une structure magnétique fermée 90 qui entoure la périphérie extérieure 61 de la structure accélératrice. Cette structure magnétique 90 a une section transversale en forme générale d'un carré dont les quatre côtés 91, 92, 93 et 94 sont réalisés par des barres à section rectangulaire qui sont fixées sur un support 95. Des encoches 96, 97, 98 et 99 sont prévues aux quatre coins intérieurs de la structure magnétique 90 pour loger des conducteurs, par exemple en nombre de sept et référencés
E,F,G,H,I,J,K et L. Ces encoches 96 à 99 ont un parcours pour partie longitudinale (référence 75 et 76 de la figure 9), à l'endroit des coins intérieurs et pour partie transversale (référence 77) à intervalles réguliers le long de la structure accélératrice, par exemple, tous les 0,25 mètre.On obtient ainsi le long de chaque côté 91 à 94 une succession de pôles NORD et
SUD qui correspondent chacun à une rotation de-900 du champ quadrupolaire autour du faisceau de protons.

L'espace libre entre la paroi 61 et les coins de la structure magnétique 90 peut être mis à profit pour disposer des tirants 100 de maintien et des conduits 101 de passage d'un fluide de refroidissement.

Pour augmenter l'impédance shunt, l'invention propose une optimisation de certaines dimensions et formes des cellules de chaque structure accélératrice,
L'optimisation consiste à choisir une distance H (les figures 10 et 11 représentant une demi-cellule) entre les becs 69 d'extrémité des tubes cylindriques de glissement d'une cellule qui est égale environ à la moitié de la longueur L de la cellule concernée, soit
H = 0,5L +/- 0,1L. En d'autres mots, le tube de glissement a une longueur qui est voisine de la moitié de la longueur de la cellule accélératrice. On obtient ainsi un compromis entre le facteur de surtension Q de la cellule et le facteur d'angle de transit T.

Dans le cas d'une puissance moyenne de faisceau inférieure à un kilowatt, dite modérée, on peut en perdre une fraction sensible sur les parois et becs sans inconvénient thermique ou d'activation majeur. Le faisceau peut être fin (4 millimètres) et l'impédance shunt élevée (100 mégohms par mètre).

L'optimisation consiste alors, aussi à choisir une courbe de raccordement 70 (figure 10) entre le tube de glissement 71 et la paroi 72 qui a un rayon de courbure R égal environ au dixième de la longueur L de la cellule concernée, soit R = 0,12L +/- 0,03L. Un tel rayon de courbure est critique car il permet de limiter la valeur importante du champ magnétique dans cette région même proche de l'axe tout en n'épanouissant pas le champ électrique hors de l'axe. On a représenté sur la figure 10 le cas d'une cellule assez longue correspondant à des protons assez rapides.

Dans le cas d'une puissance moyenne élevée (supérieure à un kilowatt) le faisceau est plus gros (12 millimètres) et l'impédance shunt est modeste (50 mégohms par mètre), l'invention consiste à placer les orifices ou iris 33 de couplage magnétique (figure 11) à proximité du tube de glissement compte-tenu du champ magnétique existant par suite du tube. De ce fait, il n'y a plus de zone de raccordement ayant un rayon R tel que défini ci-dessus.

Ceci permet de donner un profil conique épais à la paroi intercellule, ce qui optimise les contraintes thermiques et mécaniques pour un angle de 50 environ. On a représenté le cas d'une cellule assez courte correspondant à des protons peu rapides.

Le tableau 1 indique les valeurs de l'impédance shunt pour une structure accélératrice de profil tubulaire fonctionnant en onde progressive inverse dans le mode fondamental 3in/4.

La figure 12 donne des courbes de variation 80, 81 et 82 de l'impédance shunt Zt2 en fonction du rapport ss=v/c de la vitesse des protons à celle de la lumière pour différents types de propagation, déphasages de faisceau et diamètres d'ouverture disponible pour le faisceeau.

Ainsi, la courbe 80 correspond à une propagation directe harmonique de déphasage n/2 et un diamètre de quatre millimètres.

Tableau
Fréquence dia. épais. ss=v/c T Zt2
ouv. paroi
(GHz) (mm) (mm) (MeV) (Mn/m)
3 4 2.5 1 156
3 4 2.5 0.57 200 106
1.2 10 6.2 1 98.7
1.2 10 6.2 0.57 200 67.6
La courbe 81 correspond à une propagation directe harmonique de déphasage 3X/4 et un diamètre de quatre millimètres.

La courbe 82A correspond à une propagation inverse de déphasage 3#/4 et un diamètre de quatre millimètres. Le point 82B correspond à un diamètre de huit millimètres dans les mêmes conditions, ce qui montre que l'on peut doubler le diamètre sans diminuer fortement l'impédance shunt Zt2.

Claims (14)

REVENDICATIONS

1. Accélérateur linéaire de protons du type à onde progressive comportant une source (11) qui fournit un faisceau de protons (16) se propageant à une vitesse inférieure à la lumière, au moins une structure accélératrice (12,13 ou 14) du type à onde progressive à couplage magnétique entre les différentes cellules adjacentes, avec une focalisation et une impédance shunt déterminées, et au moins un klystron (22) fournissant l'énergie haute fréquence à ladite structure accélératrice, ledit accélérateur linéaire de protons étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre, - des moyens magnétiques (40,55) disposés à des

emplacements déterminés le long de ladite structure

accélératrice pour créer des champs magnétiques de

focalisation dudit faisceau.

2. Accélérateur linéaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans le cas où la vitesse (v) des protons est faible par rapport à celle (c) de la lumière (8=v/c < 0,2), les moyens magnétiques sont constitués par au moins un quadrupôle (401,402,403) qui est disposé à proximité et autour du faisceau de protons (16) et intercalé entre deux tronçons (121,122,123 et 124) de ladite structure accélératrice (12).

3. Accélérateur linéaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que, dans le cas de plusieurs quadrupôles (401,402,403)r le champ quadrupolaire est tourné de 900 d'un quadrupôle au suivant.

4. Accélérateur linéaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans le cas où la vitesse (v) des protons devient élevée par rapport à celle (c) de la lumière (ss=v/c20,2), les moyens magnétiques (55) sont disposés le long et autour de ladite structure accélératrice (13,14).

5. Accélérateur linéaire selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens magnétiques sont disposés dans une enceinte cryogénique.

6. Accélérateur linéaire selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que lesdits moyens magnétiques sont constitués par au moins un solénoïde.

7. Accélérateur linéaire selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que lesdits moyens magnétiques sont constitués par au moins un quadrupôle.

8. Accélérateur linéaire selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit quadrupôle est constitué par une structure magnétique fermée (60,92) qui enveloppe ladite structure accélératrice, ladite structure magnétique (60,92) comportant au moins quatre encoches (62 à 65, 96 à 99) pour le passage d'au moins un conducteur électrique (A à D, E à L).

9. Accélérateur linéaire selon la revendication 8, caractérisé en ce que la structure magnétique (60) est cylindrique et en ce que les encoches (62 à 65) ont un parcours hélicoïdal le long de ladite structure accélératrice de manière à tourner le champ quadrupolaire (B1,B2,B3,B4) de manière continue autour de l'axe du faisceau de protons (16).

10. Accélérateur linéaire selon la revendication 8, caractérisé en ce que la structure magnétique (92) est à section rectangulaire et en ce que les encoches (96 à 99) sont disposées aux quatre coins intérieurs et ont un parcours longitudinale (75,76) et transversale sur 900 (77) de manière à faire tourner le champ quadrupolaire de 900 autour de l'axe du faisceau de protons (16), à chaque partie de parcours transversal (77).

11. Accélérateur linéaire selon la revendication 9, caractérisé en ce que le pas du parcours hélicoïdal est égal à quatre fois la distance focale à obtenir.

12. Accélérateur linéaire selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 11, caractérisé en ce que les cellules accélératrices présentent chacune un tube de glissement dont la longueur est voisine de la moitié de la longueur de la cellule concernée.

13. Accélérateur linéaire selon la revendication 12, caractérisé en ce que le rayon (R) de raccordement entre le tube de glissement et la paroi transversale de la cellule accélératrice est voisin du dixième de la longueur de la cellule concernée.

14. Accélérateur linéaire selon la revendication 12, caractérisé en ce que le couplage magnétique entre deux cellules accélératrices adjacentes est obtenu par un orifice disposé au raccordement entre le tube de glissement et les parois contiguës des cellules accélératrices adjacentes.