FR3093269A1 - Ligne d’injection multiple pour cavité accélératrice de particules - Google Patents
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Abstract
Ligne d’injection multiple pour cavité accélératrice de particules Ligne d’injection multiple (1) pour cavité accélératrice de particules, comportant : au moins deux sources d’ions (11), une cavité résonnante (30) de première harmonique, comportant une enceinte (38) et au moins deux tubes de glissement (34) associés chacun à une source respective (11), ces tubes de glissement (34) étant disposés dans l’enceinte, reliés électriquement entre eux et reliés par un conducteur (36) à l’enceinte, des cavités résonnantes (50) de seconde harmonique, associées chacune à une source d’ion respective (11), comportant une enceinte et un tube de glissement (54) relié électriquement à l’enceinte par un conducteur (55). Figure pour l’abrégé : Fig. 1
Description
La présente invention concerne les lignes d’injections utilisées pour injecter des particules chargées dans des cavités accélératrices, et plus particulièrement mais non exclusivement les lignes d’injection axiales utilisées pour injecter des particules chargées dans la région centrale des cavités de cyclotron ou synchrocyclotron.
Les lignes d’injection comportent classiquement une source d’ions et un système pour grouper les ions afin de les regrouper par paquets en fonction de la fréquence de fonctionnement de la cavité accélératrice. Pour ce faire, le faisceau d’ions issu de la source passe à travers au moins un groupeur (« buncher ») composé d’une cavité résonnante à tube de glissement (« drift tube ») dont la fréquence de résonnance est choisie en fonction de la fréquence d’accélération des particules dans la cavité accélératrice.
Des exemples de groupeurs sont décrits dans la publication The New Axial Buncher at INFN-LNS A. Caruso et al ou la publication Design of an Injection Buncher for the SPES Cyclotron P. Antonini et al.
La forme d’onde idéale d’un groupeur étant en dents de scie, il est connu de faire une excitation du tube de glissement par les première et deuxième harmoniques d’un signal d’excitation sinusoïdal ou de faire passer les ions successivement à travers une cavité résonnante de première harmonique puis à travers une cavité résonnante de deuxième harmonique.
Un exemple de ligne d’injection axiale externe connue est celle du cyclotron MEDICYC, décrite par exemple dans la publication INJECTION INTO CYCLOTRONS par P. Mandrillon Laboratoire du cyclotron, Centre Antoine Lacassagne, Nice, France.
Par ailleurs, la demanderesse a proposé dans la demande WO 2014/068477 un accélérateur capable de délivrer un faisceau accéléré avec une intensité relativement élevée. Un tel accélérateur repose sur une injection multiple, en divers points de la cavité accélératrice. Cette demande se concentre sur la structure de la cavité accélératrice et ne décrit pas précisément comment réaliser la ligne d’injection.
L’invention vise à proposer une ligne d’injection multiple à la fois compacte, fiable et capable de produire une intensité élevée de particules chargées, convenant tout particulièrement à l’injection dans une cavité accélératrice telle que réalisée conformément à l’enseignement de la demande WO 2014/068477, sans toutefois être limitée à ce type de cavité accélératrice.
L’invention vise à répondre à ce besoin et a pour objet, selon un premier de ses aspects, une ligne d’injection multiple pour cavité accélératrice de particules, comportant :
- au moins deux sources d’ions,
- une cavité résonnante de première harmonique, comportant une enceinte et au moins deux tubes de glissement associés chacun à une source respective, ces tubes de glissement étant disposés dans l’enceinte, reliés électriquement entre eux et reliés par un conducteur à l’enceinte,
- des cavités résonnantes de seconde harmonique, associées chacune à une source d’ion respective, comportant une enceinte et un tube de glissement relié électriquement à l’enceinte par un conducteur.
Une telle ligne d’injection s’avère particulièrement compacte du fait de l’utilisation d’une unique cavité résonnante de première harmonique pour l’ensemble des voies d’injection de la ligne. Elle peut ainsi être facilement installée dans l’axe de la cavité accélératrice si on le souhaite.
De préférence, le conducteur de la cavité résonnante de première harmonique est quart d’onde. Une telle longueur s’avère bien adaptée en ce qu’elle permet au conducteur d’effectuer sensiblement un tour complet autour des tubes de glissement. Ainsi, de préférence également, le conducteur de la cavité résonnante de première harmonique s’étend autour des tubes de glissement.
Il en est avantageusement de même du conducteur de la cavité résonnante de seconde harmonique, qui s’étend également autour du tube de glissement correspondant. Par contre, la cavité résonnante de seconde harmonique étant plus petite, du fait de la fréquence plus élevée, le conducteur peut avoir à faire plus d’un tour autour du tube de glissement, par exemple entre 1,5 tour et 2 tours.
La ligne d’injection comportant une alimentation haute fréquence reliée à la cavité résonnante de seconde harmonique, cette alimentation peut être pilotée de manière à faire varier l’intensité du faisceau d’ions sortant de cette cavité en jouant sur la phase du courant d’excitation de cette cavité, délivré par l’alimentation.
Le conducteur reliant le ou les tubes de glissement à l’enceinte de la cavité résonnante de première harmonique et/ou à l’enceinte de chaque cavité résonnante de deuxième harmonique peut être parcouru par un fluide de refroidissement. En particulier, ce conducteur peut être réalisé avec deux conduits superposés, parcourus en sens inverse par un liquide de refroidissement.
La ligne d’injection peut comporter trois sources d’ions, et de préférence avoir trois sources exactement.
Les ions peuvent être des ions H+ ou autres.
L’invention a encore pour objet un accélérateur de particules, comportant :
- Une ligne d’injection multiple selon l’invention, telle que définie ci-dessus,
- une cavité accélératrice pour accélérer les ions issus de la ligne d’alimentation multiple.
L’invention a encore pour objet un réacteur piloté par un accélérateur selon l’invention.
L’invention a encore pour objet un procédé de production d’un faisceau accéléré, dans lequel des ions sont produits par une ligne d’injection selon l’invention et accélérés par une cavité accélératrice, notamment telle que décrite dans la demande WO 2014/068477.
Description détaillée
On a illustré à la figure 1 une ligne d’injection multiple 1 conforme à l’invention.
Cette ligne comporte une tête 10, un premier système de guidage, de focalisation et/ou d’accélération 20, une cavité résonnante 30 de première harmonique H1, un deuxième système de guidage et/ou de focalisation 40, une cavité résonnante 50 de deuxième harmonique H2 et un système de déviation 60 permettant d’injecter les particules chargées dans les zones voulues de la cavité accélératrice, non représentée.
Les cavités résonnantes sont excitées par des sources HF non représentées, pour réaliser des groupeurs (encore appelé « bunchers »).
La cavité accélératrice est avantageusement telle que décrite dans la demande WO 2014/068477.
La tête 10 comporte trois sources individuelles 11, comportant chacune comme on peut le voir à la figure 2, une chambre 12 dans laquelle s’étend un filament 13 qui est chauffé pour ioniser le gaz à partir duquel les ions sont générés, par exemple du dihydrogène.
Des aimants 13 sont intégrés à la paroi de la chambre de chaque source 11 pour confiner les ions produits. Les sources 11 sont de préférence des sources dites « multicusp », mais d’autres sources pourraient être utilisées.
Une première cage 14 sous haute tension s’étend autour des sources 11. Cette cage 14 est elle-même entourée par une deuxième cage 15 reliée à la terre.
Des pompes à vide 16 assurent le maintien d’un vide suffisant dans la ligne d’injection, à la sortie des sources 11.
De façon connue en soi, des électrodes accélératrices sont disposées sur le trajet des ions pour les extraire des sources 11 et les guider au sein de la ligne d’injection.
Des isolants 17 sont prévus en conséquence.
La ligne d’injection 1 comporte classiquement un ensemble de lentilles de focalisation 21, sur chacune des trois voies associées aux sources respectives 11.
La cavité résonnante de première harmonique 30 vise à regrouper les ions pour permettre une injection par paquets d’ions dans la cavité accélératrice.
Cette cavité résonnante 30 comporte, comme visible plus particulièrement sur la figure 3, une chambre 31 sous vide, définie par une enceinte 38, dans laquelle débouchent supérieurement par des tubes d’entrée parallèles 32 les trois voies associées aux sources d’ions 11.
Les ions groupés repartent par des tubes de sortie 33, parallèles entre eux.
Des tubes de glissement parallèles 34, dont la longueur correspond sensiblement à λ/2, λ étant la longueur d’onde dans le vide correspondant à la fréquence de résonnance de la cavité, sont disposés entre les tubes d’entrée et de sortie, de manière centrée relativement à ceux-ci.
Ces tubes de glissement 34 sont reliés entre eux, en leur milieu, par un élément de liaison conducteur électrique 35, sous forme de plaque triangulaire dans l’exemple considéré.
L’élément de liaison 35 est relié à l’enceinte 38, qui est à la masse électrique, par un conducteur 36 dont la longueur fait sensiblement λ/4, ce conducteur étant dit quart d’onde. Ce conducteur 36 se raccorde à l’élément 35 à mi-longueur d’un côté et se raccorde sensiblement perpendiculairement à l’enceinte 38, dans une zone en regard du point de raccordement du conducteur 36 à l’élément 35. Les tubes 34 se raccordent sensiblement aux sommets de l’élément 35. Le conducteur 36 se raccorde sensiblement perpendiculairement au côté correspondant de l’élément 35.
L’enceinte 38 comporte une paroi cylindrique d’axe confondu avec l’axe longitudinal de la ligne 1 et des parois supérieure et inférieure perpendiculaire à cet axe longitudinal.
Une boucle de couplage 39 constituée par un conducteur électrique raccordé à une extrémité à une borne d’alimentation 70 isolée de la paroi cylindrique de l’enceinte 38 et à l’autre extrémité à cette paroi, assure l’excitation de la cavité résonnante. La borne d’alimentation est reliée à une source HF.
Si l’on se reporte aux figures 6 et 7, on voit qu’au cours du temps, du fait des oscillations de champ électrique à l’intérieur de la cavité résonnante 30, les ions voient entre les tubes de glissement 34 et les tubes d’entrée 32 et de sortie 33 des différences de potentiel qui changent alternativement de direction. Il en résulte une action de groupement sur les ions à la traversée de la cavité 30.
Si l’intensité du courant parcourant la boucle 39 nécessite un refroidissement, le conducteur utilisé peut être creux et refroidi par liquide. Par exemple, on réalise le conducteur avec deux conduits superposés 81 et 82, comme illustré à la figure 8, parcourus par le liquide de refroidissement en sens inverse.
De même, si la puissance à dissiper l’exige, on peut réaliser le conducteur 36 de la même façon, avec deux conduits parcourus par un liquide de refroidissement en sens inverse. Le liquide est amené froid au point où le conducteur 36 se raccorde à la paroi cylindrique de l’enceinte 38, parcourt le conducteur 36 par l’un des conduits, puis arrive à l’élément 35, avant de repartir par l’autre conduit en sens inverse jusqu’à l’extrémité reliée à la paroi cylindrique de l’enceinte 38. Au niveau de cette dernière, des moyens sont prévus pour canaliser le liquide de refroidissement depuis et vers un bloc de réfrigération.
Les cavités résonnantes de deuxième harmonique 50 sont placées en aval de la cavité 30 et reçoivent chacune des ions sortant d’un tube de glissement respectif 34.
Chaque cavité 50 comporte, comme on peut le voir sur la figure 5, une chambre 51 dans laquelle débouchent des tubes d’entrée 52 et de sortie 53, de part et d’autre d’un tube de glissement 54.
Ce tube de glissement 54 est relié à la paroi de l’enceinte par un conducteur 55 dont la longueur correspond sensiblement à λ/4. Chaque cavité 50 est excitée par une boucle de couplage, non apparente sur la figure 5, de façon similaire à la cavité 30.
La cavité de seconde harmonique 50 permet de donner à la distribution spatiale des ions au sein du paquet un profil plus proche de la distribution idéale.
Le système de déviation 60 comporte des inflecteurs électrostatiques et/ou magnétiques qui permettent de dévier les ions en sortie de la ligne d’injection de façon à les injecter avec la direction souhaitée dans la cavité accélératrice. De préférence, l’injection se fait horizontalement, dans le plan médian.
L’accélérateur selon l’invention peut trouver à s’utiliser dans de multiples applications nécessitant une intensité élevée du faisceau délivré, et en particulier dans les réacteurs pilotés par accélérateur.
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée à l’exemple de réalisation qui vient d’être décrit et l’on peut apporter de nombreuses modifications sans sortir du cadre de l’invention.
Par exemple, l’accélérateur peut être utilisé pour produire des radioisotopes.
La ligne d’injection peut, dans une variante, être seulement double et non triple.
La ligne d’injection selon l’invention peut être utilisée pour alimenter des cavités accélératrices autres que celle décrite dans la demande WO 2014/068477 A1.
Les sources 11 peuvent être pilotées individuellement en fonction d’une lecture du courant à la sortie de la voie correspondante. L’intensité du faisceau à la sortie de l’accélérateur peut être pilotée en jouant sur l’intensité d’une seule des sources 11, ou en variante en modifiant l’intensité de plusieurs sources 11 à la fois. Le contrôle de l’intensité des sources peut s’effectuer en fonction de l’usure des filaments respectifs, ce qui est un autre avantage à la présence de sources multiples dans la ligne d’injection selon l’invention. Le cas échéant, seules deux sources sont utilisées simultanément, la troisième étant en réserve et permettant de remplacer l’une des deux autres sources lors d’un arrêt de celle-ci pour maintenance par exemple, ce qui accroît la fiabilité du fonctionnement de la ligne et permet un fonctionnement ininterrompu sur une plus longue période.
Pour réguler l’intensité de chaque voie de la ligne d’injection, et indirectement agir sur l’intensité du faisceau accéléré généré par l’accélérateur, on peut déphaser plus ou moins le signal excitateur des cavités résonnantes 50 de deuxième harmonique.
La cavité accélératrice est de préférence un résonnateur HF du type delta avec deux espaces accélérateurs, dits « gaps », ou du type « mono-gap » à un seul espace accélérateur. L’invention n’est toutefois pas limitée à une cavité particulière présentant un espace suffisant dans la région centrale.
Dans une variante non illustrée, on fait passer les ions d’abord dans la cavité résonnante de deuxième harmonique, puis dans la cavité résonnante de première harmonique.
Les ions accélérés peuvent être autres que H+, par exemple H2+ ou H-.
Claims (10)
- Ligne d’injection multiple (1) pour cavité accélératrice de particules, comportant :
- au moins deux sources d’ions (11),
- une cavité résonnante (30) de première harmonique, comportant une enceinte (38) et au moins deux tubes de glissement (34) associés chacun à une source respective (11), ces tubes de glissement (34) étant disposés dans l’enceinte, reliés électriquement entre eux et reliés par un conducteur (36) à l’enceinte,
- des cavités résonnantes (50) de seconde harmonique, associées chacune à une source d’ion respective (11), comportant une enceinte et un tube de glissement (54) relié électriquement à l’enceinte par un conducteur (55).
- Ligne selon la revendication 1, le conducteur (36) de la cavité résonnante de première harmonique (30) étant quart d’onde.
- Ligne selon l’une des revendications précédentes, le conducteur (36) de la cavité résonnante de première harmonique s’étendant autour des tubes de glissement (34).
- Ligne selon l’une des revendications précédentes, le conducteur (55) de la cavité résonnante de seconde harmonique s’étendant autour du tube de glissement correspondant (54).
- Ligne selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant une alimentation haute fréquence reliée à la cavité résonnante de seconde harmonique, cette alimentation étant pilotée de manière à faire varier l’intensité du faisceau sortant de cette cavité en jouant sur la phase du courant d’excitation de cette cavité, délivré par l’alimentation.
- Ligne selon l’une quelconque des revendications précédentes, le conducteur (36 ; 55) reliant le ou les tubes de glissement à l’enceinte de la cavité résonnante de première harmonique et/ou à l’enceinte de chaque cavité résonnante de deuxième harmonique étant parcouru par un fluide de refroidissement.
- Ligne selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant trois sources d’ions (11).
- Ligne selon l’une quelconque des revendications précédentes, les ions étant des ions H+.
- Accélérateur de particules, comportant :
- Une ligne d’injection multiple (1) telle que définie dans l’une quelconque des revendications précédentes,
- Une cavité accélératrice pour accélérer les ions issus de la ligne d’alimentation multiple.
- Procédé de production d’un faisceau accéléré, dans lequel des ions sont produits par une ligne d’injection telle que définie dans l’une quelconque des revendications précédentes et accélérés par une cavité accélératrice.
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