WO2004010748A1 - Cyclotron muni de nouveaux moyens d'inflexion du faisceau de particules - Google Patents

Cyclotron muni de nouveaux moyens d'inflexion du faisceau de particules Download PDF

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Abstract

La présente invention se rapporte à un cyclotron destiné à l'accélération d'un faisceau de particules chargées circulant dans le plan médian se présentant essentiellement sous la forme de deux pôles induisant un champ magnétique et possédant un injecteur dit axial, c'est-à-dire un injecteur disposé à l'extérieur du cyclotron essentiellement selon l'axe principal du cyclotron et donc perpendiculairement au plan médian de celui-ci et qui est combiné à des moyens d'inflexion qui permettent d'infléchir le faisceau de particules jusqu'à le positionner dans le plan médian, caractérisé en ce que les moyens d'inflexion sont constitués par un inflecteur magnétique.

Description

CYCLOTRON MUNI DE NOUVEAUX MOYENS D'INFLEXION DU FAISCEAU
DE PARTICULES
Objet de l'invention
[0001] La présente invention vise à proposer un cyclotron muni d'un nouveau type d'inflecteur utilisé pour "infléchir" un faisceau de particules chargées injectées axialement par un dispositif d'injection ou injecteur vers le plan médian du cyclotron.
Etat de la technique
[0002] Les cyclotrons sont des accélérateurs de particules chargées utilisés en particulier pour la production d'isotopes radioactifs. Ces cyclotrons sont basés sur les principes élémentaires de la force de Lorenz : F = qv x B qui induit le fait qu'une particule chargée décrit essentiellement un arc de cercle dans un champ magnétique uniforme perpendiculaire au plan dans lequel la particule chargée se déplace.
[0003] Les cyclotrons se composent de plusieurs ensembles principaux distincts, tels que 1 ' électro-aimant qui assure le guidage des particules chargées, le résonateur haute fréquence qui assure l'accélération desdites particules et enfin le système d'injection desdites particules dans le cyclotron.
[0004] La combinaison des différents moyens permet de réaliser une accélération des particules chargées qui vont décrire dans le plan médian du cyclotron
(perpendiculaire au champ magnétique) une trajectoire présentant approximativement une forme de spirale de rayon croissant autour de l'axe central (vertical) du cyclotron qui est perpendiculaire au plan médian.
[0005] Dans les cyclotrons modernes de type isochrone, les pôles de 1 ' électro-aimant sont divisés en secteurs présentant alternativement un entrefer réduit et un entrefer plus grand. La variation azimutale du champ magnétique qui en résulte a pour effet d'assurer la focalisation verticale et horizontale du faisceau au cours de l'accélération.
[0006] Parmi les cyclotrons isochrones, il convient de distinguer les cyclotrons de type compact, qui sont énergétisés par une paire de bobines circulaires principales et les cyclotrons dits à secteurs séparés, où la structure magnétique est divisée en unités séparées entièrement autonomes. [0007] Le résonateur haute fréquence est quant à lui constitué par les électrodes accélératrices, appelées fréquemment "dées" pour des raisons historiques. On applique ainsi aux électrodes une tension alternative de plusieurs dizaines de ilovolts à la fréquence de rotation des particules dans l'aimant. [0008] Ces particules chargées accélérées par un cyclotron peuvent être des particules positives, tels que des protons, ou des particules négatives, telles que des ions H" . [0009] Ces dernières particules (les ions H" en l'occurrence) sont extraites en effectuant une conversion des ions négatifs en ions positifs en faisant passer ceux-ci à travers une feuille, par exemple de carbone, qui a pour fonction de dépouiller les ions négatifs de leurs électrons .
[0010] Néanmoins l'accélération de telles particules négatives présente des difficultés importantes. [0011] Le principal inconvénient réside dans le fait que les ions négatifs sont fragiles et sont de ce fait facilement dissociés par des molécules de gaz résiduel ou par les champs magnétiques importants traversés à haute énergie et présents dans le cyclotron. [0012] De ce fait, il est impératif que le vide présent dans le cyclotron soit très poussé.
[0013] De même, le dispositif d'injection et la source sont, pour ces raisons, situés à l'extérieur du cyclotron. Ceci permet d'éviter toute pollution de l'entrefer du cyclotron.
[0014] Une autre raison pour laquelle les dispositifs d'injection et source sont disposés à l'extérieur du cyclotron réside dans l'exiguïté de l'espace disponible au sein même du cyclotron. [0015] Habituellement, les dispositifs d'injection et source sont disposés directement au-dessus de l'axe central du cyclotron de manière à injecter les particules générées selon une direction essentiellement verticale vers le centre du cyclotron, où elles seront infléchies progressivement afin d'être dirigées dans le plan médian (horizontal) du cyclotron où elles subiront les diverses accélérations .
[0016] C'est pour cette raison que les cyclotrons sont appelés des cyclotrons à injecteur axial. [0017] Il convient de noter que le dessin naturel du champ magnétique régnant dans le cyclotron étant lui-même vertical, l'injection du faisceau de particules se fera donc selon les lignes du champ magnétique et les particules ne seront pas défléchies si on ne perturbe pas ledit champ magnétique . [0018] Selon l'état de la technique, pour diriger le faisceau de particules de manière adéquate dans le plan médian, c'est-à-dire perpendiculairement à la direction d'injection, on propose de disposer dans le cyclotron des inflecteurs, qui infléchissent progressivement le faisceau. [0019] Selon l'état de la technique, les inflecteurs connus sont des inflecteurs électrostatiques qui sont essentiellement constitués d'une électrode négative et d'une électrode positive entre lesquelles par une différence de potentiel un champ électrique est créé.
Celui-ci va progressivement infléchir le faisceau de particules jusqu'à le positionner correctement de manière tangentielle dans le plan médian du cyclotron et donc perpendiculairement par rapport à sa direction d'arrivée.
[0020] En réalité, le faisceau de particules effectue un mouvement en hélice spiralée.
[0021] En effet, dès que sous l'effet du champ électrique essentiellement horizontal, régnant entre les électrodes à l'entrée de l' inflecteur électrostatique, les particules chargées acquièrent une composante de vitesse dans le plan horizontal, et elles sont soumises à la force de Lorentz. [0022] La combinaison des deux composantes génère un mouvement en spirale du faisceau de particules au sein de la partie centrale du cyclotron.
[0023] Des exemples de tels dispositifs sont décrits abondamment dans la littérature. En particulier, le document NL - A - 9302257 décrit ce type d' inflecteur .
[0024] La présence d'un tel inflecteur destiné à permettre l'introduction du faisceau de particules par l'axe central (vertical) génère la présence d'un trou dans l'entrefer et perturbe de ce fait le champ magnétique vertical .
[0025] Les autres inconvénients résident dans le fait que ces électrodes doivent être soumises à une différence de potentiel d'autant plus importante que l'intensité du faisceau de particules sera importante. [0026] Or la tendance actuelle est de vouloir augmenter l'intensité des faisceaux qui est pour l'instant comprise entre 300 et 500 μA jusqu'à des valeurs qui peuvent atteindre quelques mA.
[0027] Un autre problème important réside dans le fait que pour augmenter l'intensité du faisceau de particules, on augmente la charge d'espace, c'est-à-dire la densité de charge électrique provoquant ainsi la répulsion électrostatique des charges et par là un élargissement du faisceau (charges électriques provoquées par la présence de nombreuses particules chargées qui se repoussent mutuellement dans un espace, causant ainsi une augmentation de la taille du faisceau) . Cette charge d'espace dépend bien entendu de l'intensité de la vitesse du faisceau. Pour diminuer la charge d'espace, il est donc nécessaire d'augmenter la vitesse des particules chargées à partir du dispositif d'injection et donc la tension d' injection. [0028] Ceci signifie qu'il serait également nécessaire d'augmenter les tensions des électrodes de l' inflecteur qui sont de l'ordre de 5 kV pour l'instant, à des valeurs proches de 15 kV, voire plus, par exemple quelques dizaines de kilovolts. [0029] Ceci, bien entendu, serait la cause de toute une série de problèmes inhérents aux électrodes, comme particulièrement des problèmes d' isolation insuffisante ou de claquage desdites électrodes. [0030] Un dernier problème provient du fait de la symétrie de révolution du cyclotron isochrone qui comprend une alternance de collines et de vallées.
[0031] Pour ce type de cyclotrons, la focalisation s'effectue par gradients alternés et est particulièrement délicate au centre du cyclotron du fait que l'effet de modulation du champ dû aux collines et vallées disparaît au centre du cyclotron. Pour remédier à ce manque de focalisation, on souhaite placer une bosse de champ à cet endroit. La présence du trou axial requis par l'injection du faisceau s'oppose à la création d'une telle bosse de champ .
[0032] On connaît par les documents GOTO A ET AL : « Design of injection System for the IPCR SSC. II » Scientific papers of the Institue of Physical and Chemical Research, Dec. 1980, Japan, vol. 74, no. 4, pages 124-145 et YANO Y ET AL: "Design and Model Study of injection bending magnet for RIKEN SSC" Scientific Papers of the Institue of Physical and Chemical Research, Dec. 1981, Japan, vol 75, no. 4, pages 176-192 un cyclotron à secteurs séparés, muni d'un dispositif d'injection comportant une multiplicité d' électro-aimants de déviation. Ce dispositif n'est applicable qu'aux cyclotrons à secteurs séparés, puisque les électro-aimants de déviation requièrent un espace qui n'est pas disponible dans la région centrale d'un cyclotron compact. Des courants importants sont nécessaires pour alimenter ces aimants de déviation. Le trajet de l'injection se fait verticalement, puis à 45°, dans l'espace compris entre deux secteurs du cyclotron à secteurs séparés, à une distance de l'axe de la machine. Buts de 1 ' invention
[0033] La présente invention vise à proposer une solution qui permette de surmonter les différents inconvénients de l'état de la technique. [0034] La présente invention vise en particulier à proposer un cyclotron présentant un nouveau type d' inflecteur qui permet d'infléchir progressivement le faisceau de particules chargées provenant d'un dispositif d'injection ou injecteur extérieur disposé axialement par rapport au centre du cyclotron vers le plan médian dudit cyclotron en vue de les soumettre aux accélérations.
[0035] Plus précisément, la présente invention vise à proposer un cyclotron muni d'un nouveau type d' inflecteur qui permet de résoudre le problème de la présence d'une « bosse » de champ au centre dudit cyclotron dans le cas d'un cyclotron isochrone.
Principaux éléments caractéristiques
[0036] La présente invention se rapporte à un cyclotron destiné à l'accélération d'un faisceau de particules chargées présentant un injecteur dit axial, c'est-à-dire disposé à l'extérieur du cyclotron et perpendiculairement par rapport au plan médian et selon l'axe central dudit cyclotron, qui combiné à des moyens d'inflexion qui infléchissent le faisceau de particules progressivement permet de positionner le faisceau dans le plan médian, où les particules subiront de manière classique les accélérations nécessaires. Ces moyens d'inflexion sont disposés essentiellement à l'intersection du plan médian et de l'axe du cyclotron.
[0037] Selon la présente invention, ces moyens d'inflexion sont constitués par un inflecteur magnétique, c'est-à-dire un ou des éléments qui permettent de donner une composante horizontale ou radiale au champ magnétique, de manière à guider le faisceau de particules chargées progressivement vers le plan médian.
[0038] Selon une première forme d'exécution, on choisit simplement comme moyens d'inflexion des éléments ferro-magnétiques disposés de manière à créer un champ d'induction présentant une composante horizontale ou radiale et qui sont solidaires des pôles du cyclotron. [0039] Selon une autre forme d'exécution préférée, on utilise des anneaux ou rondelles constitués de blocs collés d'un matériau ne modifiant pas le champ magnétique axial .
[0040] Ce matériau est de préférence un aimant permanent fort réalisé dans un alliage tel un alliage Samarium-Cobalt ou Néodyme-Fer-Bore . [0041] En disposant correctement ces anneaux ou rondelles, on prévoit de donner une composante horizontale ou radiale au champ magnétique en permettant ainsi de guider le faisceau de particules chargées, de manière à ce qu'il s'infléchisse progressivement vers le plan médian.
Brève description des figures
[0042] La figure 1 représente une vue schématique en perspective d'un cyclotron isochrone dans lequel un inflecteur selon la présente invention pourra être utilisé. [0043] La figure 2 décrit une vue en coupe d'un tel cyclotron.
[0044] La figure 3a et 3b représentent une vue détaillée en plan et en perspective d'une première forme d'exécution d'un inflecteur selon la présente invention. [0045] La figure 4 représente une vue détaillée d'une seconde forme d'exécution d'un inflecteur selon la présente invention. [0046] La figure 5 montre un anneau en Sm-Co utilisée selon une forme d'exécution préférée de l'invention décrite à la figure 4.
Description détaillée de plusieurs formes d'exécution de 1 ' invention
[0047] Les figures 1 et 2 décrivent un exemple d'un cyclotron qui peut utiliser les inflecteurs selon les diverses formes d'exécution décrites ci-dessous. [0048] Le cyclotron 1, tel que représenté, est un cyclotron isochrone compact tel le cyclone 30 produit par la demanderesse destiné à l'accélération de particules négatives, tels que des H".
[0049] La structure magnétique du cyclotron 1 est représentée à la Fig. 1 de manière verticale. Dans la description qui suit cette structure magnétique est disposée de manière que le plan médian soit essentiellement horizontal. Elle se compose d'un certain nombre d'éléments réalisés en un matériau ferro-magnétique et de bobines 6 réalisées dans un matériau conducteur ou supra-conducteur. [0050] La structure ferro- agnétique comprend de manière classique :
- deux plaques de base appelées culasses 2 et 2',
- au moins trois secteurs 3 supérieurs appelés collines et un même nombre de secteurs inférieurs 3' situés symétriquement par rapport à un plan de symétrie 10, appelé plan médian aux secteurs supérieurs 3, et qui sont séparés par un faible entrefer 8, et définissant entre deux collines consécutives un espace où l'entrefer est de dimension plus élevée et qui est appelé vallée 4,
- au moins un retour de flux 5 réunissant de façon rigide, la culasse inférieure 2 à la culasse supérieure 2' . [0051] Les bobines 6 sont de forme essentiellement circulaire et sont localisées dans l'espace annulaire laissé entre les secteurs 3 et 3' et les retours de flux 5. [0052] Un dispositif d'injection 100 est disposé de manière essentiellement axiale, c'est-à-dire à une certaine distance à l'extérieur du cyclotron par rapport au plan médian 10. De manière adéquate, ce dispositif d'injection est situé dans le prolongement de l'axe central du cyclotron. [0053] Un conduit central 20 est alors créé dans la culasse, par exemple supérieure, de manière à permettre que les particules chargées soient injectées au centre de 1 ' appareil . [0054] De cette manière, le faisceau de particules chargées sera injecté dans ledit conduit et sera ensuite dirigé à l'aide d'éléments d'inflexion jusqu'à se positionner dans le plan médian dudit cyclotron.
[0055] Dans ce but, un inflecteur 30 est disposé essentiellement dans l'entrefer au niveau du conduit central et permettra d'infléchir progressivement le faisceau de particules provenant du dispositif d'injection 100 vers le plan médian 10.
[0056] Selon la présente invention, le cyclotron présente des moyens d'inflexion ou un inflecteur magnétiques. La caractéristique essentielle de la présente invention réside donc dans le fait que ce genre d' inflecteur ne génère pas de champ électrique au centre du cyclotron. L' inflecteur selon la présente invention est composé de matériaux magnétiques, c'est-à-dire de matériaux ferro-magnétiques ou d'aimants permanents, qui vont perturber le champ magnétique axial du cyclotron, en créant ainsi une composante horizontale ou radiale dudit champ qui va infléchir progressivement le faisceau selon le trajet souhaité . [0057] Selon une première forme d'exécution décrite aux figures 3a et 3b, un tel inflecteur est constitué de pièces formant le circuit magnétique dans la zone centrale du cyclotron. Ces pièces sont solidaires des pôles et sont réalisées en un matériau ferro-magnétique permettant d'introduire une composante horizontale ou radiale au champ magnétique .
[0058] Selon une variante de cette forme d'exécution préférée, les moyens d'inflexion sont constitués d'un premier élément 31 en forme de cône et dont l'axe de symétrie coïncide avec l'axe 22 du cyclotron et d'un deuxième élément 33 essentiellement sous la forme d'un anneau, avec le même axe de symétrie, et qui entoure essentiellement le cône 31, de manière à former un espace annulaire 34 entre les deux éléments 31 et 33. Ces éléments sont nécessairement réalisés en un matériau ferromagnétique, tel qu'un acier à bas taux de carbone ou un alliage fer-cobalt. [0059] Leur disposition va créer une perturbation du champ magnétique 25 entre les pôles du cyclotron qui va permettre l'inflexion souhaitée du faisceau 26 selon un trajet essentiellement en forme d'hélice spiralée jusqu'à le positionner de manière adéquate dans le plan médian. [0060] Pour arriver à ce résultat, une composante radiale du champ magnétique est donc créée par les moyens d'inflexion. On voit, comme représenté à la figure 3a, qu'une telle composante radiale sera créée grâce à la forme spécifique des éléments 31 et 33. [0061] Le faisceau de particules aura tendance à s'infléchir selon un trajet en forme d'hélice spiralée tel que représenté à la Fig. 3b.
[0062] Du fait que le faisceau arrive essentiellement par la partie supérieure située au-dessus des éléments d'inflexion, il doit être légèrement défléchi par rapport à l'axe central (et vertical) du cyclotron lors de son passage entre lesdits moyens d'inflexion. Dans ce but, des bobines de guidage 28 ou d'autres dispositifs de déflexion adéquats doivent être présents au-dessus des éléments d'inflexion.
[0063] Selon une autre forme d'exécution décrite à la figure 4, les moyens d'inflexion sont constitués par des anneaux ou rondelles qui permettent également de donner une composante horizontale au champ magnétique. Lesdits anneaux 40 sont construits à partir de petits éléments 41 qui sont de préférence des aimants Samarium-Cobalt. [0064] Comme représenté à la figure 5, chaque anneau est réalisé à partir d'éléments 41, qui sont tous des aimants permanents avec des orientations individuelles du champ magnétique qui évoluent progressivement le long du périmètre de l'anneau.
[0065] De cette manière, un champ uniforme 42 est réalisé à l'intérieur de l'anneau 40. Grâce aux caractéristiques du matériau utilisé, un anneau tel que représenté à la figure 5, disposé au centre du cyclotron, ne perturbera pas le champ magnétique essentiellement axial (vertical) qui est présent dans l'entrefer du cyclotron, à l'exception de l'espace situé à l'intérieur de l'anneau. A cet endroit, une composante additionnelle du champ magnétique est créée. En disposant adéquatement lesdits anneaux, on pourra infléchir progressivement le faisceau de particules jusqu'à le disposer dans le plan médian.
[0066] La solution, telle que représentée à la figure 4 et 5 et qui correspond à la seconde forme d'exécution, permet par la disposition d'une série d'aimants en forme d'anneaux au centre du cyclotron d'infléchir progressivement le faisceau provenant de 1' injecteur axial selon un trajet formé par le point central des anneaux successifs. Ce trajet est symbolisé par une spirale.
[0067] Selon cette dernière forme d'exécution, la solution présentera l'avantage de ne pas exiger la présence de dispositifs de déflexion, telles que des bobines de guidage, en amont des éléments d'inflexion.
[0068] Un exemple d'exécution permet d'envisager l'accélération de particules H" dans un cyclotron de 115 MeV pour une énergie d'injection de 80 kV. Le champ magnétique au centre sera Bc = 0,811 T avec une rigidité magnétique de 4,15 T. cm. Le rayon du centre du cyclotron sera 5,12 cm et le rayon de raccordement sera compris entre 6 et 7 cm.

Claims

REVENDICATIONS
1. Cyclotron (1) destiné à l'accélération d'un faisceau (16) de particules chargées circulant dans le plan médian (10) se présentant essentiellement sous la forme de deux pôles induisant un champ magnétique et possédant un injecteur (100) dit axial, c'est-à-dire un injecteur disposé à l'extérieur du cyclotron essentiellement selon l'axe principal (22) du cyclotron et donc perpendiculairement au plan médian de celui-ci et qui est combiné à des moyens d'inflexion (30 ou 40) qui permettent d'infléchir le faisceau de particules jusqu'à le positionner dans le plan médian, caractérisé en ce que les moyens d'inflexion sont constitués par un inflecteur magnétique.
2. Cyclotron selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d' inflexion donnent une composante horizontale ou radiale au champ magnétique au niveau du centre du cyclotron permettant ainsi de guider le faisceau de particules chargées de manière à ce qu'il s'infléchisse progressivement vers le plan médian.
3. Cyclotron selon la revendication 1 ou 2 , caractérisé en ce que les moyens d'inflexion sont constitués par des éléments ferro-magnétiques (31 et 33), de préférence solidaires aux deux pôles.
4. Cyclotron selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens d'inflexion comprennent un premier élément en forme de cône (31) et un second élément en forme d'anneau (33) entourant une partie dudit cône.
5. Cyclotron selon la revendication 4, dans lequel les axes de symétrie desdits éléments coïncident avec l'axe de symétrie du cyclotron.
6. Cyclotron selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre en amont des moyens d'inflexion des éléments de guidage (28) dudit faisceau.
7. Cyclotron selon la revendication 1 ou 2 , caractérisé en ce que les moyens d'inflexion sont constitués par des anneaux ou rondelles (40) assemblés à partir d'éléments individuels qui sont des aimants permanents .
8. Cyclotron selon la revendication 7, dans lequel lesdits aimants permanents sont réalisés en un alliage tel un alliage Samarium-Cobalt ou Neodyme-Fer-Bore .
9. Cyclotron selon la revendication 8 ou 9, dans lequel lesdits moyens d' inflexion sont constitués d'une série d'anneaux dont les points centraux forment une trajectoire en forme d'hélice spiralée.
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