WO2003092339A1 - Accelerateur de particules - Google Patents

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WO2003092339A1 PCT/IB2002/001373 IB0201373W WO03092339A1 WO 2003092339 A1 WO2003092339 A1 WO 2003092339A1 IB 0201373 W IB0201373 W IB 0201373W WO 03092339 A1 WO03092339 A1 WO 03092339A1
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particles
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accelerator
peeler
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Pierre Mandrillon
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H13/00—Magnetic resonance accelerators; Cyclotrons

Definitions

  • Particle accelerator The present invention relates to particle accelerators and more particularly, but not exclusively, those intended to deliver a relatively high intensity beam, for example greater than or equal to 5 mA, of highly energetic particles.
  • the subject of the invention is a new particle accelerator, comprising at least:
  • a second cyclotron surrounding the first, and configured to accelerate particles from the first cyclotron.
  • the invention makes it possible to benefit from a reliable accelerator capable of generating an intense beam of particles of high energy. Due to the arrangement of the two cyclotrons around one another, the space requirement is reduced and the injection of charged particles accelerated by the first cyclotron into the second cyclotron is simplified.
  • the median planes of the first and second cyclotrons can be substantially coplanar, so that the accelerated particles leaving the first cyclotron do not have to be deflected vertically before being injected into the second cyclotron, which can make it possible to save on magnetic and / or electrostatic deflectors and reduce losses and risks of equipment activation.
  • the path between the two cyclotrons can be relatively short, so that the space charge problems are less.
  • the first cyclotron can be of the compact type, as opposed to a cyclotron of the separate sector type.
  • the second cyclotron can be of the separate sector type.
  • Compact type cyclotron means a cyclotron comprising at least one circular coil associated with all of its magnetic structure.
  • Separatate sector cyclotron should be understood to mean a cyclotron comprising a plurality of autonomous magnetic sectors.
  • the first cyclotron may or may not be superconductive.
  • the particle beams delivered by the first and second cyclotrons comprise particles of different natures.
  • the beam delivered by the first cyclotron comprises molecular ions, for example H + or H 3 + ions.
  • the accelerator can include a peeler and the beam accelerated by the second cyclotron can be generated by intercepting the particle beam delivered by the first cyclotron with the peeler.
  • the beam delivered by the second cyclotron can consist of H protons.
  • peeler also called a “stripper” means a device comprising a sheet through which a beam of particles is passed, this sheet being made of a material capable of “retaining” certain elementary particles, for example electrons and " and let the others pass.
  • the peeler can include, for example, a thin sheet of carbon.
  • the peeler is an electronic peeler for retaining electrons belonging to the molecular ions of the beam delivered by the first cyclotron, in order to generate the H + protons constituting the beam delivered by the second cyclotron.
  • the peeler is located inside the second cyclotron, in the air gap of a magnetic sector.
  • the accelerator may include an axial injection line associated on the one hand with an ion source, for example H 2 + or H 3 + ions and on the other hand with the first cyclotron.
  • an ion source for example H 2 + or H 3 + ions and on the other hand with the first cyclotron.
  • the accelerator comprises a control device able to measure the intensity of the electric current delivered by the peeler and to control, as a function of this current and a set value, an actuator capable modifying the intensity of the first beam of accelerated particles delivered by the first cyclotron.
  • the actuator can comprise, for example, at least one device for control of an HF grouper, also called a “buncher”, capable of acting on the grouping in space of the particles injected into the first cyclotron, this grouper being able to belong to the aforementioned axial injection line.
  • an HF grouper also called a “buncher”
  • the first cyclotron can be configured so that the accelerated particles perform a number of revolutions of, for example, between 10 and 30 before leaving it.
  • the number of revolutions performed in the first cyclotron can thus be relatively small, so that the difference measured along a radius between the different orbits of the particles can be large enough to allow relatively easy extraction of the beam from the final orbit.
  • the particle beam accelerated by the first cyclotron can thus leave it without having to pass through a peeler.
  • ADS accelerator-controlled system
  • FIG. 1 is a schematic and partial view, in axial section, illustrating an example of implementation of the invention
  • FIG. 2 represents in isolation, in schematic and partial perspective with cutaway, the first cyclotron
  • FIG. 3 is a schematic and partial view, from above, of the second cyclotron.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating the regulation of the intensity of the beam delivered by the accelerator.
  • FIG. 1 shows an accelerator 1 comprising a first cyclotron 10 and a second cyclotron 20 arranged around the first, for example coaxial with the latter, and serving as a booster.
  • the first cyclotron 10, of the compact and isochronous type, is shown in isolation in FIG. 2.
  • This cyclotron is, in the example described, superconductive and comprises, inside a cryogenic enclosure 11, at least one circular coil 12, shown with cutaway in FIG. 2.
  • This coil 12 is configured to generate a magnetic field in a closed magnetic structure, also called "yoke", comprising poles on which are installed spiral or radial sectors 13 and made of a material permeable to the magnetic field, in a manner known per se.
  • Resonant cavities 14 are arranged between the magnetic sectors 13, also in a manner known per se, to accelerate the particles under the effect of a radiofrequency electric field, for example of frequency close to 70 MHz.
  • the first cyclotron 10 is associated with an ion source 15, for example a source of molecular ions H 2 and with an axial injection line 16 making it possible to direct the ions emitted by the source 15 towards a central region of the cyclotron at from which the particles will be accelerated following a substantially spiral-shaped trajectory.
  • an ion source 15 for example a source of molecular ions H 2
  • an axial injection line 16 making it possible to direct the ions emitted by the source 15 towards a central region of the cyclotron at from which the particles will be accelerated following a substantially spiral-shaped trajectory.
  • the second cyclotron 20 is of the isochronous type with separate sectors and comprises a plurality of magnetic sectors 21 alternating with radiofrequency cavities 22 arranged so as to accelerate the particles between two magnetic sectors 21.
  • the two cyclotrons 10 and 20 are connected by a conduit 31 in which, in the example considered, the same vacuum prevails as in the two cyclotrons.
  • Each sector 21 is autonomous on the magnetic plane, that is to say has its own means making it possible to generate the magnetic field, for example a coil 23.
  • An electronic peeler 24 comprising a thin sheet of carbon, for example having a thickness of the order of 100 nm, is disposed in the air gap of one of the magnetic sectors 21, near its radially innermost end. This peeler 24 makes it possible to extract electrons e " from the incident beam.
  • the molecular ions H 2 + are transformed at the crossing of the peeler 24 into a beam of protons ET 1 " .
  • the peeler 24 is electrically insulated so as to allow a reading of the collected electric current.
  • this current is measured by a control device 30 arranged to control an actuator 18 making it possible to modify the intensity of the beam of accelerated particles emitted by the first cyclotron.
  • the control device 30 can be arranged so as to control the actuator 18 by function of a set intensity I c , which can make it possible to precisely regulate the intensity of the beam of accelerated particles emitted by the second cyclotron.
  • the actuator 18 can be constituted, for example, by any device for controlling an HF grouper of the axial injection line 16.
  • the operation of the accelerator 1 is as follows.
  • the H 2 + ions emitted by the source 15 are injected by the axial injection line 16 into the first cyclotron 10 and are accelerated along the median plane P of the first cyclotron 10. They leave the latter in the example considered at the end of a relatively small number of turns, for example close to 25.
  • the intensity of the beam of H 2 + particles leaving the first cyclotron is for example of the order of 5 mA and the energy of the H 2 + ions of l '' from 10 to 25 MeN.
  • the conduit 31 allows the particles accelerated by the first cyclotron to reach the second cyclotron where they impact the peeler 24 and transform into H protons which will in turn be accelerated in the median plane P of the second cyclotron 20.
  • the latter can deliver an intensity which is, for example, greater than or equal to 10 m A, the H protons having an energy greater than 10 MeN. Ions transform, H 2 + H + protons crossing the peeler 24 allows to double the intensity of the beam.
  • the control device 30 makes it possible to regulate the intensity of the beam of protons H + emitted by the second cyclotron and to maintain it at a value, constant or not, as a function of the set value I c , the latter possibly being variable in the time.
  • the particle accelerator 1 according to the invention can find numerous applications and be used in particular in combination with an energy amplifier as described for example in European patent EP 0 725 967, or with a transmitter as described in international application WO 98/59347.
  • the ion source can be other than an H 2 + source, for example an H 3 + or H " source.

Landscapes

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  • Spectroscopy & Molecular Physics (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 cyclotron.

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 connaît par l'article CYCLOTRONS IN RADIOTHERAPY, publié dans CERN ACCELERATOR SCHOOL, CYCLOTRONS, LLNACS AND THEIR APPLICATIONS, GENENA 96, suite au séminaire ayant eu lieu en Belgique du 28 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 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 œuvre, 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 réalisée dans un matériau apte à « retenir » certaines particules élémentaires, par exemple des électrons e" et à laisser passer les autres. L'éplucheur peut comporter, par exemple, une mince feuille de carbone.
Dans un mode de mise en œuvre 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 œuvre 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 H2 + 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 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 sorte que les particules accélérées effectuent un nombre de tours 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 détaillée qui va suivre, d'un exemple de mise en œuvre 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 œuvre 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 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 spirales 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 H2 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 accélérées 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 e" 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 ET1".
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 Ic, 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. 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 MeN.
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 m A, les protons H ayant une énergie supérieure à 10 MeN. 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'accélérateur 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

REVENDICATIONS
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. Accélérateur 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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