WO2014068477A1 - Cyclotron - Google Patents

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WO2014068477A1
WO2014068477A1 PCT/IB2013/059748 IB2013059748W WO2014068477A1 WO 2014068477 A1 WO2014068477 A1 WO 2014068477A1 IB 2013059748 W IB2013059748 W IB 2013059748W WO 2014068477 A1 WO2014068477 A1 WO 2014068477A1
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cyclotron
sectors
hill
axis
valley
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Aima Developpement
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    • 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
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/04—Magnet systems, e.g. undulators, wigglers; Energisation thereof
    • 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
    • H05H13/005—Cyclotrons

Definitions

  • the present invention relates to cyclotrons and in particular those with superconducting electromagnets.
  • Cyclotrons are accelerators whose operating principle is now old. These accelerators have been the subject of numerous developments, in particular with the aim of increasing the energy of the particle beam delivered.
  • a cyclotron capable of accelerating high power beams is subject to various constraints.
  • the gamma and neutron radiation emitted following the activation of its components must be as small as possible to facilitate its maintenance and radiation protection.
  • DAEôALUS discloses a superconducting cyclotron of this type, dedicated to the acceleration of H 2 + ions and to the production of H + ions by electronic peeling, represented in FIG. each with a yoke portion disposed radially outwardly, which serves to close the magnetic field. This part of the cylinder head contributes to the footprint significantly and increases the weight of iron used and the weight of the installation.
  • the sectors have a top view in a rather complex shape, spiral, for reasons of focusing of the beam, which also tends to increase congestion.
  • the magnetic field, in the central region of the cyclotron located radially away from the sectors towards the axis of the cyclotron is opposite to that existing in the gap at the sector level and therefore not available to accelerate the particles, which requires the use of a pre-accelerator upstream to inject the particles with an input energy level compatible with the desired level output. This adds to the cost, bulk, and complexity of the installation.
  • the input particle beam is subject to a space charge problem, which limits the intensity that can be injected into the cyclotron.
  • the invention aims to meet the need above, and achieves in a first of its aspects through a cyclotron, comprising:
  • a plurality of hill sectors of ferromagnetic material in the air gap of which the magnetic field generated by the winding is oriented so as to induce a trajectory of the particles around the cyclotron axis, these hill sectors being separated by valleys, the winding extending between at least two hill sectors arranged on either side of a valley, approaching the axis of the cyclotron, so that along the axis of this valley, the magnetic field to which the particles being accelerated in the cyclotron pass from a polarity of the same sign as in the hills to an opposite polarity, when the radius increases.
  • the cyclotron according to the invention has many advantages.
  • the arrangement of the magnetic circuit makes it possible, if desired, to extend the hill sectors to the lower radii of the minimum radius of the winding towards the center of the cyclotron, in order to benefit from a wider radial range of acceleration of the particles.
  • the magnetic field at the median plane in the valleys is reversed and becomes negative, which makes it possible to increase the vertical focusing properties allowing the acceleration of the beam up to high energies.
  • This contribution of the negative field along the orbits is all the stronger in the absence of the flux return yokes of cyclotrons with known separate sectors.
  • the footprint is reduced, or, at the same footprint, it allows to further distance the path of the particles of the cyclotron axis and thus to extract them more easily, especially in the case of extraction in separate towers.
  • the hill sectors can be substantially straight, not spiral, which makes it possible to gain compactness and to have more space not only for the radio frequency accelerating cavities but also for the other components of the cyclotron.
  • the inversion of the magnetic field Thanks to the inversion of the magnetic field, the centers of curvature of the trajectories in the valleys are outside the machine, and the trajectory of the extracted ions is therefore much shorter.
  • the difference in mass between 3 ⁇ 4 + and H + and the inversion of the magnetic field in the valley sectors thus facilitate the extraction of the beam H + .
  • the invention may also allow, particularly in the case of an ion beam to be extracted in separate turns, to avoid the use of a septum and thus limit the activation problems that entails.
  • no part necessary for the deflection of the extracted beam is required to pass through the median plane and the insertion of a weakly activatable shield of graphite to intercept the diverging particles is facilitated.
  • the cyclotron preferably comprises alternating hill and valley sectors as it moves circumferentially around the cyclotron axis.
  • the number of valley sectors may be less than that of hillside sectors, for example half less, which can facilitate the establishment of accelerating cavities and make it easier to manufacture superconducting windings.
  • winding In the presence of valley areas, winding comprises portions that are common to a hill area and an adjacent valley area.
  • the winding may comprise, between two sectors hills, two portions converging on the cyclotron axis, connected together at their end on the side of the cyclotron axis. These portions may deviate from the median plane as the radius relative to the cyclotron axis decreases. This makes it possible to soften the transition between the fields of inverse polarities, along the axis of a valley.
  • the winding preferably comprises two windings arranged on either side of the median plane.
  • Each winding, also called coil, preferably extends over a complete revolution around the axis of the cyclotron.
  • Each winding may have outwardly concave portions, disposed between the hill sectors, and portions disposed along the radially outer periphery of the hill, concave inward sectors.
  • the presence of portions of opposite concavities can facilitate the compensation of the thermal and mechanical stresses induced by the cooling of the winding at a superconductive temperature on the one hand, and improve the distribution of magnetic forces on the other structure.
  • the hill sectors may extend radially to the cyclotron axis further than the radius at which the magnetic field reverses into the valleys in order to participate in the acceleration of the low energy particles.
  • At least one sector hill can extend radially towards the axis of the cyclotron less far than the others. This makes it possible to have at least one recessed hill sector, giving off a space where an ion source can be arranged, this source being internal, or facilitating the injection of ions in the case of an external source.
  • the cyclotron can be multiple injection, especially in areas provided by the absence of hillside sector, due to the slightest extension to the cyclotron axis of certain sectors hill. This allows better use of the space within the cyclotron and to obtain a higher intensity.
  • the invention is particularly suitable for extraction by separation of turns due to the absence of return yoke sectors, as explained above. Indeed the absence of breech back on the periphery of the hill areas allows to obtain a more intense reverse magnetic field with large rays in the valleys. Valley areas can also be used to further enhance this effect, thus playing the role of conventional return yokes by channeling the magnetic flux but by doing so in an area where this reverse field is useful to the beam dynamics, it is that is to say in the zones of the valleys where an inverted field is used, either for the vertical focusing of the beam, or to facilitate the extraction. Unlike traditional return yokes, these valley sectors therefore have a gap at least partially at the median plane to let through the accelerated beam and possibly the beam extracted.
  • the cyclotron may include an extraction channel located between two adjacent hill sectors, including an extraction channel producing a magnetic field hump. This channel is open at the median plane between the last internal orbit and the extracted orbit. For example, it may be formed of bars of a ferromagnetic material or bars traversed by a current.
  • the magnetic harmonic disturbance that it can possibly generate must be limited and corrected, but the residual disturbance can facilitate the extraction by inducing a slight precession of the last turns.
  • the cyclotron may comprise a valley sector having a close portion of the median plane of air gap in the extraction zone. This makes it possible to locally increase the magnetic field along the extracted orbit.
  • the cyclotron can in particular be of the isochronous type.
  • the energy of the output beam is preferably greater than or equal to 60 MeV, or even 1000 or 1500 MeV.
  • a cyclotron comprising a plurality of sectors made of ferromagnetic material, including hill sectors and possibly valley sectors in which the magnetic field is opposite that of the hill sectors.
  • at least one hill sector extending towards the cyclotron axis less than the other hill sectors to define at least one injection zone, and preferably a plurality of injection zones, these injection zones being preferably still distributed equiangularly around the axis of the cyclotron.
  • a cyclotron comprising a plurality of sectors made of ferromagnetic material, including hill sectors and possibly valley sectors in which the magnetic field is opposite that of the hill sectors. the valley areas extending less far to the center of the cyclotron than the hill areas.
  • FIG. 1 illustrates a cyclotron according to the prior art
  • FIG. 2 schematically shows in perspective an example of a cyclotron according to the invention
  • FIG. 3 represents, in isolation, the cyclotron windings of FIG.
  • FIG. 4 illustrates the polarity of the magnetic fields in the example of FIGS. 2 and 3,
  • FIGS. 5 and 6 are views respectively similar to FIGS. 2 and 4 of an embodiment variant of the cyclotron
  • FIG. 7 represents the evolution of the magnetic field as a function of the radius at different locations in the cyclotron of FIG. 2, as well as the evolution of the distance from the hill sector to the median plane,
  • FIG. 8 represents a detail of embodiment of the cyclotron of FIG. 5 at the level of the extraction zone, in the case of extraction with separate turns,
  • FIG. 9 is a sectional view of FIG. 8 along the axis of the valley sector
  • FIG. 10 represents the evolution of the magnetic field in the extraction zone of FIG. 8 and in the median plane of air gap, depending radius
  • FIG. 11 illustrates an example of multi-injection of H 2 + ions
  • FIG. 12 illustrates an extraction by peeling H 2 + ⁇ H + in a valley.
  • the cyclotron 1 according to the invention is more particularly intended for the acceleration of H 2 + ions, but the invention is not limited to a particular type of ion at the input of the accelerator or at the output of it.
  • Cyclotron 1 has a so-called separate sector construction, with in this case a plurality of magnetic sectors of hill 2 and of magnetic sectors of valley 3.
  • the hill 2 or valley 3 sectors each define an air gap, under vacuum, in which the accelerated particle beam propagates, the cyclotron generally having a symmetrical structure with respect to a median plane of air gap.
  • the hill sectors 2 are disposed spaced from each other in the circumferential direction, leaving between them the valleys in which the valley sectors are arranged, in the air gap of which the magnetic field is of opposite orientation to that prevailing in the region. gap between the hills.
  • the valley sectors can be interrupted at mid-width to allow to have in this space the accelerating cavities HF.
  • the sectors, whether hill or valley, are made of a ferromagnetic material such as iron and the magnetic field is created using a winding comprising, in the example in question, two superconducting windings 5 disposed respectively at above and below the median plane.
  • Each of the windings 5 is contained in a cryostat and comprises turns, which extend continuously over the entire circumference of the cyclotron 1 along a path that allows a portion 6 of the winding, common to two adjacent sectors 2 and 3, of generating, when traversed by an electric current, both a part of the magnetic gap field in the hill sector 2 and a part of the magnetic gap field in the valley sector 3, these magnetic fields being of opposite polarities, as illustrated in figure 4.
  • each common portion 6 deviates, close to the X axis of the cyclotron, the median plane; this orientation of the common portions 6 makes it possible to reduce the magnetic field in the valley sectors approaching the center of the cyclotron, which makes it possible to obtain a progressive increase in absolute value of the intensity of the magnetic field when the radius increases; this also facilitates the introduction into the space provided between two adjacent hill sectors 2, of an accelerating cavity HF, of which only one of them, bearing the reference 8, has been represented in FIG. clarity of the drawing.
  • These accelerating cavities are known in themselves and may be of the "mono gap" or "double gap” type, for example as described in the publication M.Bopp et al. "Upgrade Concepts of the PSI Accelerator RF Systems for a 3mA Projected Operation", 16th International Conference Cyclotrons and their Applications 2001.
  • the configuration of the cyclotron may facilitate the fixing of the windings 5 at the portions 12 of the windings located at the lowest radii in the machine, at the end of two consecutive portions 6, these portions 12 of the windings 5 may extend beyond sectors 2 upward or down.
  • Cyclotron 1 may have between 2 and n HF accelerating cavities for a machine of n magnetic periods.
  • the number of hill sectors is between 3 and n.
  • the number of valley sectors can be equal to the number of hillside areas, or less. There may be no valleys, since the contribution of the windings 5 to the magnetic field in this zone of the valleys is negative. Valley areas, however, have the advantage, when present, of increasing the intensity of the field in this area.
  • FIG. 7 shows an example of a hill sector profile in the axis of the latter. It can be seen that the distance from the hill sector to the median plane varies according to the radius so as to adequately grow the field in the gap.
  • the magnetic field has also been represented in the median plane of air gap in the axis of a sector hill and in the V axis of a valley.
  • the evolution of the profile of the hill and valley sectors is chosen so that the resulting magnetic field is suitable for particle acceleration.
  • the field in the axis of a valley is gradually reversed.
  • the evolution of the distance to the median plane as a function of the radius of the hill sector depends on the evolution of the distance to the median plane of the winding 5 as a function of the radius.
  • the distance to the median plane of the hill sector 2, starting from the center, can for example decrease, pass through a first relative minimum, grow, pass through a first relative maximum, then decrease, reach a second relative minimum, then grow again.
  • each winding 5 extends further towards the X axis of the cyclotron.
  • the presence in the central region of the cyclotron of a positive polarity field makes it usable for accelerating the particle beam.
  • the accelerator then makes it possible to benefit from a wide range of diameter variation to effect the acceleration. This can notably avoid having to accelerate the particles before injecting them into the cyclotron, unlike the known solution, represented in FIG.
  • Injection of the particles to be accelerated in a cyclotron according to the invention can be carried out in various ways. It may be interesting that at least one of the hill sectors does not extend as far as the others towards the X axis, so as to provide space for an injector or an internal source. It is preferable to perform a multi-injection, with injection points equidistantly angularly around the X axis of the cyclotron and for example not to extend in the direction of the X axis a hill sector on two so as to spare spaces each of which can accommodate an injector or an internal source. Under these conditions, the cyclotron can simultaneously accelerate several injected beams in these locations, which can allow to gain in intensity given the space charge problems at the injection.
  • Figure 11 illustrates an example of multi-injection.
  • Each winding 5 has its own cryostat or both windings 5 are housed in the same cryostat.
  • a cryostat keeps the superconducting material at a superconducting temperature. This material is, in a manner known in itself, in contact with a copper soleplate which drives the electric current when the output of the superconducting state.
  • cryostats of the upper and lower windings can meet, which may lead to having only one cryostat.
  • a first extraction technique is to use an electronic peeler, which may be useful for example when the accelerated particles are H 2 ions.
  • the H 2 + ions can be transformed into H + ions which, because of their lower mass, follow a different curvature trajectory in the magnetic field, as illustrated in FIG. 12.
  • the peeler may be placed at the outlet of a hill sector so that the beam H + is deflected outwardly of the cyclotron and then adapted to the outside of the cyclotron.
  • the cyclotron according to the invention may also be suitable for a so-called extraction with separate turns, so that two consecutive trajectories are radially offset sufficiently to allow the deflection of the beam on its last turn.
  • a radially inner side of the valley sector used for extraction a set of bars 15, 16 made of ferromagnetic material, including two wider bars 15, which create between them an extraction channel, these bars 15 being preceded by approaching the X axis of a series of disturbing bars 16 of harmonic correction, arranged to give the magnetic field the desired profile.
  • Such an arrangement makes it possible to create a hump of the inverse magnetic field to give curvature to the extracted beam, contrary to the classical case where the magnetic field is not reversed in which a magnetic field dip or a radial electric field should be created. introducing parts in the median plane between the extracted beam and the last internal orbit to create the curvature of the extracted beam.
  • FIG. 10 shows the result of a simulation of the magnetic field in the median plane as a function of the distance to the X axis, showing the local perturbation induced by the presence of the busbar 15 and 16 of FIG. 9.
  • the valley sector 3 may have a recess 20 towards the median plane, so as to form a close part making it possible to locally increase the intensity of the reverse magnetic field, and thus to further bend the trajectory of the particles to facilitate their exit.
  • the invention is particularly applicable to superconducting cyclotrons, the invention may nonetheless find an interest in non-superconducting cyclotrons.
  • the invention is not limited to the acceleration of H + or 3 ⁇ 4 + type ions and applies to the acceleration of other ions, in particular heavier ions with extraction by modification of the state of charge .
  • the cyclotron-accelerated particles according to the invention can be used in many applications, for example the production of radioactive isotopes by directing the beam towards a target or to feed an accelerator-controlled sub-critical nuclear reactor. , says "ADS”.

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Abstract

La présente invention concerne un cyclotron (1), comportant: -un bobinage, -une pluralité de secteurs colline (2) en matériau ferromagnétique, dans l'entrefer desquels le champ magnétique généré par le bobinage est orienté de façon à induire une trajectoire des particules autour de l'axe (X) du cyclotron, ces secteurs colline étant séparés par des vallées, le bobinage s'étendant, entre au moins deux secteurs colline disposés de part et d'autre d'une vallée, en se rapprochant de l'axe du cyclotron, de façon à ce que selon l'axe (V) de cette vallée, le champ magnétique auquel sont soumises les particules en cours d'accélération dans le cyclotron passe d'une polarité de même signe que dans les collines à une polarité inverse, quand le rayon augmente.

Description

Cyclotron
Domaine technique
La présente invention concerne les cyclotrons et notamment ceux à électro- aimants supraconducteurs.
Arrière-plan
Les cyclotrons sont des accélérateurs dont le principe de fonctionnement est aujourd'hui ancien. Ces accélérateurs ont fait l'objet de nombreux développements, notamment dans le but d'augmenter l'énergie du faisceau de particules délivré.
La conception d'un cyclotron capable d'accélérer des faisceaux de forte puissance est soumise à diverses contraintes. En particulier aux hautes énergies, le rayonnement gamma et neutronique émis suite à l'activation de ses composants doit être le plus réduit possible pour faciliter sa maintenance et la radioprotection.
Par ailleurs, le coût de conception et de fabrication doit être compatible avec l'application recherchée.
Pour produire des faisceaux d'énergie relativement élevée, par exemple supérieure ou égale à 500 MeV, il est connu de réaliser les cyclotrons supraconducteurs selon une configuration dite « à secteurs séparés ». Ces derniers, dits secteurs « colline », sont répartis tout autour de l'axe du cyclotron, étant séparés par des régions appelées « vallées », et portent chacun de part et d'autre de l'entrefer deux enroulements supraconducteurs qui génèrent un champ magnétique sensiblement perpendiculaire au plan médian dans l'entrefer. Des cavités accélératrices RF sont disposées entre les secteurs.
La publication ECPM May, 2012 DAEôALUS divulgue un cyclotron supraconducteur de ce type, dédié à l'accélération d'ions H2 + et à la production d'ions H+ par épluchage électronique, représenté à la figure 1. Les secteurs colline sont réalisés chacun avec une partie de culasse disposée radialement vers l'extérieur, qui sert à refermer le champ magnétique. Cette partie de culasse contribue à l'emprise au sol de façon non négligeable et augmente la masse de fer utilisée et le poids de l'installation.
De plus, les secteurs présentent en vue de dessus une forme assez complexe, en spirale, pour des raisons de focalisation du faisceau, ce qui tend également à accroître 1 ' encombrement. En outre, le champ magnétique, dans la région centrale du cyclotron située radialement en retrait des secteurs vers l'axe du cyclotron, est inverse de celui existant dans l'entrefer au niveau des secteurs et donc non disponible pour accélérer les particules, ce qui oblige à utiliser un pré-accélérateur en amont pour injecter les particules avec un niveau d'énergie en entrée compatible avec le niveau recherché en sortie. Cela ajoute au coût, à l'encombrement et à la complexité de l'installation.
Enfin, le faisceau de particules en entrée est sujet à un problème de charge d'espace, ce qui limite l'intensité qu'il est possible d'injecter dans le cyclotron.
A ces difficultés d'injection, s'ajoutent des difficultés d'extraction du faisceau. Comme illustré à la figure 1, le faisceau H+ après épluchage électronique subit plusieurs déviations dans le même sens giratoire, ce qui entraîne une forte dispersion angulaire du faisceau, au détriment du rendement de l'accélérateur, et peut poser des problèmes d'activation de ses composants.
A ce jour, il existe un besoin pour perfectionner encore les cyclotrons, plus particulièrement supraconducteurs, afin de remédier aux inconvénients ci-dessus et permettre notamment la réalisation de cyclotrons capables d'accélérer des particules à une haute énergie, par exemple supérieure ou égale à 60 MeV et avec une intensité non négligeable, par exemple supérieure ou égale à 2 mA.
La publication CYCLOTRON AND FFAG STUDIES USING CYCLOTRON CODES M.K. Craddock et al, Proceedings of Cyclotrons 2010, Langhou China, vise à déterminer la limite haute en énergie que peuvent avoir des cyclotrons faisant suivre les secteurs colline par des vallées où le champ magnétique est inverse. Toutefois, aucune réalisation concrète n'est divulguée dans cette publication.
Résumé
L'invention vise à répondre au besoin ci-dessus, et y parvient selon un premier de ses aspects grâce à un cyclotron, comportant :
un bobinage,
une pluralité de secteurs colline en matériau ferromagnétique, dans l'entrefer desquels le champ magnétique généré par le bobinage est orienté de façon à induire une trajectoire des particules autour de l'axe du cyclotron, ces secteurs colline étant séparés par des vallées, le bobinage s'étendant, entre au moins deux secteurs colline disposés de part et d'autre d'une vallée, en se rapprochant de l'axe du cyclotron, de façon à ce que selon l'axe de cette vallée, le champ magnétique auquel sont soumises les particules en cours d'accélération dans le cyclotron passe d'une polarité de même signe que dans les collines à une polarité inverse, quand le rayon augmente.
Le cyclotron selon l'invention présente de nombreux avantages.
Tout d'abord, l'agencement du circuit magnétique permet, si on le souhaite, de prolonger les secteurs colline aux rayons inférieurs au rayon minimum du bobinage vers le centre du cyclotron, pour bénéficier d'une plus large plage radiale d'accélération des particules.
L'utilisation d'un accélérateur en amont du cyclotron peut ainsi être évitée, ce qui simplifie l'installation et diminue son coût. Cela permet aussi de réaliser si on le souhaite une multi- injection, comme détaillé plus loin, et d'augmenter l'intensité produite en sortie par le cyclotron.
Par ailleurs, aux rayons supérieurs au rayon minimum du bobinage, le champ magnétique au niveau du plan médian dans les vallées s'inverse et devient négatif, ce qui permet d'accroître les propriétés de focalisation verticale permettant l'accélération du faisceau jusqu'à des énergies élevées. Cette contribution du champ négatif le long des orbites est d'autant plus forte en l'absence des culasses de retour de flux des cyclotrons à secteurs séparés connus.
De plus, l'emprise au sol est réduite, ou, à emprise au sol identique, cela permet d'éloigner davantage la trajectoire des particules de l'axe du cyclotron et ainsi d'extraire plus facilement celles-ci, en particulier dans le cas d'une extraction en tours séparés.
Les secteurs colline peuvent être sensiblement droits, non spiralés, ce qui permet de gagner en compacité et de disposer de davantage de place non seulement pour les cavités accélératrices radio fréquence mais aussi pour les autres composants du cyclotron.
Grâce à l'inversion du champ magnétique, les centres de courbure des trajectoires dans les vallées sont à l'extérieur de la machine, et la trajectoire des ions extraits est donc beaucoup plus courte. Dans le cas d'un épluchage électronique, notamment selon la réaction ¾+— 2H+, la différence de masse entre ¾+ et H+ et l'inversion du champ magnétique dans les secteurs vallée facilitent donc l'extraction du faisceau H+.
L'invention peut aussi permettre, notamment dans le cas d'un faisceau d'ions devant être extrait en tours séparés, d'éviter l'emploi d'un septum et de limiter ainsi des problèmes d'activation que cela entraîne. Eventuellement, dans un tel cas, aucune pièce nécessaire à la déviation du faisceau extrait n'est tenue de traverser le plan médian et l'insertion d'un écran de protection faiblement activable en graphite pour intercepter les particules qui divergent est facilitée.
Le cyclotron comporte de préférence une alternance de secteurs colline et de secteurs vallée lorsque l'on se déplace circonférentiellement autour de l'axe du cyclotron. Toutefois, le nombre de secteurs vallée peut être moindre que celui de secteurs colline, par exemple moitié moindre, ce qui peut faciliter l'implantation des cavités accélératrices et rendre plus facile la fabrication des enroulements supraconducteurs.
En présence de secteurs vallée, le bobinage comporte des portions qui sont communes à un secteur colline et à un secteur vallée adjacent.
Le bobinage peut comporter, entre deux secteurs colline, deux portions convergeant en se rapprochant de l'axe du cyclotron, reliées entre elles à leur extrémité du côté de l'axe du cyclotron. Ces portions peuvent s'écarter du plan médian lorsque le rayon par rapport à l'axe du cyclotron diminue. Cela permet d'adoucir la transition entre les champs de polarités inverses, le long de l'axe d'une vallée.
Le bobinage comporte de préférence deux enroulements disposés de part et d'autre du plan médian. Chaque enroulement, encore appelé bobine, s'étend de préférence sur une révolution complète autour de l'axe du cyclotron.
Chaque enroulement peut présenter des portions concaves vers l'extérieur, disposées entre les secteurs colline, et des portions disposées le long de la périphérie radialement extérieure des secteurs colline, concaves vers l'intérieur. La présence de portions de concavités opposées peut faciliter la compensation des contraintes thermiques et mécaniques induites par le refroidissement de l'enroulement à une température supraconductrice d'une part, et améliorer la répartition des forces magnétiques sur la structure d'autre part. Comme indiqué plus haut, les secteurs colline peuvent s'étendre radialement vers l'axe du cyclotron plus loin que le rayon auquel le champ magnétique s'inverse dans les vallées afin de participer à l'accélération des particules à faible énergie.
Au moins un secteur colline peut s'étendre radialement vers l'axe du cyclotron moins loin que les autres. Cela permet de disposer d'au moins un secteur colline en retrait, dégageant un espace où une source d'ions peut être disposée, cette source étant interne, ou facilitant l'injection des ions dans le cas d'une source externe.
Le cyclotron peut être à injection multiple, notamment dans des zones ménagées par l'absence de secteur colline, du fait de la moindre extension vers l'axe du cyclotron de certains secteurs colline. Cela permet de mieux utiliser l'espace au sein du cyclotron et d'obtenir une intensité plus élevée.
L'invention convient tout particulièrement à une extraction par séparation de tours du fait de l'absence de culasse de retour des secteurs, comme expliqué plus haut. En effet l'absence de culasse de retour en périphérie des secteurs colline permet d'obtenir un champ magnétique inverse plus intense aux grands rayons dans les vallées. Des secteurs de vallée peuvent également être utilisés pour encore renforcer cet effet, jouant ainsi le rôle des culasses de retour classiques en canalisant le flux magnétique mais en le faisant dans une zone où ce champ inverse est utile à la dynamique du faisceau, c'est-à-dire dans les zones des vallées où l'on utilise un champ inversé, soit pour la focalisation verticale du faisceau, soit pour faciliter l'extraction. Contrairement à des culasses de retour traditionnelles, ces secteurs de vallée présentent donc un entrefer au moins partiel au niveau du plan médian pour laisser passer le faisceau accéléré et éventuellement le faisceau extrait.
Le cyclotron peut comporter un canal d'extraction situé entre deux secteurs colline adjacents, notamment un canal d'extraction produisant une bosse de champ magnétique. Ce canal est ouvert au plan médian entre la dernière orbite interne et l'orbite extraite. Par exemple, il peut être formé de barres d'un matériau ferromagnétique ou de barres parcourues par un courant. La perturbation d'harmonique magnétique qu'il peut éventuellement générer doit être limitée et corrigée, mais la perturbation résiduelle peut faciliter l'extraction en induisant une légère précession des derniers tours. Le cyclotron peut comporter un secteur vallée ayant une partie rapprochée du plan médian d'entrefer dans la zone d'extraction. Cela permet d'accroître localement le champ magnétique le long de l'orbite extraite.
Le cyclotron peut notamment être de type isochrone. L'énergie du faisceau de sortie est de préférence supérieure ou égale à 60 MeV, voire 1000 ou 1500 MeV.
L'invention a encore pour objet, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un cyclotron comportant une pluralité de secteurs en matériau ferromagnétique, dont des secteurs colline et éventuellement des secteurs vallée situés où le champ magnétique est inverse de celui des secteurs colline, au moins un secteur colline se prolongeant vers l'axe du cyclotron moins que les autres secteurs colline pour définir au moins une zone d'injection, et de préférence une pluralité de zones d'injection, ces zones d'injection étant de préférence encore réparties équiangulairement autour de l'axe du cyclotron.
L'invention a encore pour objet, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un cyclotron comportant une pluralité de secteurs en matériau ferromagnétique, dont des secteurs colline et éventuellement des secteurs vallée situés où le champ magnétique est inverse de celui des secteurs colline, les secteurs vallée s 'étendant moins loin vers le centre du cyclotron que les secteurs colline.
Description détaillée
L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel :
la figure 1 illustre un cyclotron selon l'art antérieur,
la figure 2 représente, de façon schématique en perspective, un exemple de cyclotron selon l'invention,
la figure 3 représente isolément les enroulements du cyclotron de la figure
2,
la figure 4 illustre la polarité des champs magnétiques dans l'exemple des figures 2 et 3,
- les figures 5 et 6 sont des vues respectivement analogues aux figures 2 et 4 d'une variante de réalisation du cyclotron, la figure 7 représente l'évolution du champ magnétique en fonction du rayon à différents emplacements dans le cyclotron de la figure 2, ainsi que l'évolution de la distance du secteur colline au plan médian,
la figure 8 représente un détail de réalisation du cyclotron de la figure 5 au niveau de la zone d'extraction, dans le cas d'une extraction à tours séparés,
la figure 9 est une coupe de la figure 8 dans l'axe du secteur vallée, et la figure 10 représente l'évolution du champ magnétique dans la zone d'extraction de la figure 8 et dans le plan médian d'entrefer, en fonction du rayon,
la figure 11 illustre un exemple de multi- injection d'ions H2 +, et
- la figure 12 illustre une extraction par épluchage H2 + → H+, dans une vallée.
Le cyclotron 1 conforme à l'invention, représenté à la figure 2, est plus particulièrement destiné à l'accélération d'ions H2 +, mais l'invention n'est pas limitée à un type d'ions particulier en entrée de l'accélérateur ni en sortie de celui-ci. Le cyclotron 1 présente une construction dite à secteurs séparés, avec en l'espèce une pluralité de secteurs magnétiques de colline 2 et de secteurs magnétiques de vallée 3.
Les secteurs colline 2 ou vallée 3 définissent chacun un entrefer, sous vide, dans lequel se propage le faisceau de particules accélérées, le cyclotron présentant globalement une structure symétrique par rapport à un plan médian d'entrefer.
Les secteurs de colline 2 sont disposés de façon écartée les uns des autres dans le sens circonférentiel, ménageant entre eux les vallées dans lesquelles sont disposés les secteurs vallée, dans l'entrefer desquels le champ magnétique est d'orientation inverse de celui régnant dans l'entrefer des secteurs colline.
Les secteurs vallée peuvent être interrompus à mi-largeur pour permettre de disposer dans cet espace les cavités accélératrices HF.
Les secteurs, qu'ils soient colline ou vallée, sont réalisés dans un matériau ferromagnétique tel que du fer et le champ magnétique est créé à l'aide d'un bobinage comportant, dans l'exemple considéré, deux enroulements supraconducteurs 5 disposés respectivement au-dessus et en dessous du plan médian.
Chacun des enroulements 5 est contenu dans un cryostat et comporte des spires, qui s'étendent continûment sur toute la circonférence du cyclotron 1 selon un trajet qui permet à une portion 6 du bobinage, commune à deux secteurs 2 et 3 adjacents, de générer, lorsque parcourue par un courant électrique, à la fois une partie du champ magnétique d'entrefer dans le secteur colline 2 et une partie du champ magnétique d'entrefer dans le secteur vallée 3, ces champs magnétiques étant de polarités inverses, comme illustré à la figure 4.
Dans l'exemple considéré, chaque portion commune 6 s'écarte, en se rapprochant de l'axe X du cyclotron, du plan médian ; cette orientation des portions communes 6 permet de diminuer le champ magnétique dans les secteurs vallée en rapprochement du centre du cyclotron, ce qui permet d'obtenir une augmentation progressive en valeur absolue de l'intensité du champ magnétique quand le rayon augmente ; cela facilite également l'introduction dans l'espace ménagé entre deux secteurs colline 2 adjacents, d'une cavité accélératrice HF, dont seule l'une d'entre elles, portant la référence 8, a été représentée à la figure 2 dans un souci de clarté du dessin. Ces cavités accélératrices sont connues en elles mêmes et peuvent être de type « mono gap » ou « double gap », par exemple telles que décrites dans la publication M.Bopp & al. « Upgrade concepts of the PSI accelerator RF Systems for a projected 3mA opération », 16th international conférence Cyclotrons and their Applications 2001.
La configuration du cyclotron peut faciliter la fixation des enroulements 5 au niveau des portions 12 des enroulements situées aux plus bas rayons dans la machine, en bout de deux portions consécutives 6, ces portions 12 des enroulements 5 pouvant dépasser des secteurs 2 vers le haut ou vers le bas.
Le cyclotron 1 peut comporter entre 2 et n cavités accélératrices HF pour une machine de n périodes magnétiques. Le nombre de secteurs colline est compris entre 3 et n.
Le nombre de secteurs vallée peut être égal au nombre de secteurs colline, ou moindre. Il peut ne pas y avoir de secteurs vallées, puisque la contribution des enroulements 5 au champ magnétique dans cette zone des vallées est négative. Les secteurs de vallée présentent néanmoins l'avantage, lorsque présents, de renforcer l'intensité du champ dans cette zone.
On a représenté à la figure 7 un exemple de profil de secteur colline dans l'axe de celui-ci. On voit que la distance du secteur colline au plan médian varie en fonction du rayon de façon à faire croître de façon adéquate le champ dans l'entrefer. On a également représenté le champ magnétique dans le plan médian d'entrefer dans l'axe d'un secteur colline et dans l'axe V d'une vallée. L'évolution du profil des secteurs colline et vallée est choisie de façon à ce que le champ magnétique résultant convienne à l'accélération des particules. On voit que dans l'exemple considéré, à un peu plus de 4 m de l'axe X, le champ dans l'axe d'une vallée s'inverse progressivement. L'évolution de la distance au plan médian en fonction du rayon du secteur colline dépend de l'évolution de la distance au plan médian de l'enroulement 5 en fonction du rayon.
La distance au plan médian du secteur colline 2, en partant du centre, peut par exemple décroître, passer par un premier minimum relatif, croître, passer par un premier maximum relatif, puis décroître, atteindre un deuxième minimum relatif, puis croître à nouveau.
Dans l'exemple de la figure 5, à la différence de l'exemple de la figure 2, chaque enroulement 5 se prolonge davantage vers l'axe X du cyclotron.
Aussi bien pour l'exemple de la figure 2 que celui de la figure 5, la présence dans la région centrale du cyclotron d'un champ de polarité positive, rend celui-ci utilisable pour accélérer le faisceau de particules. L'accélérateur permet alors de bénéficier d'une large plage de variation de diamètre pour effectuer l'accélération. Cela peut notamment éviter d'avoir à accélérer les particules avant de les injecter dans le cyclotron, contrairement à la solution connue, représentée à la figure 1.
L'injection des particules à accélérer dans un cyclotron selon l'invention peut s'effectuer de diverses façons. Il peut être intéressant qu'au moins l'un des secteurs colline ne s'étende pas aussi loin que les autres vers l'axe X, de façon à ménager un espace pour y installer un injecteur ou une source interne. Il est préférable de réaliser une multi-injection, avec des points d'injection équirépartis angulairement autour de l'axe X du cyclotron et par exemple ne pas prolonger en direction de l'axe X un secteur colline sur deux de façon à ménager des espaces pouvant accueillir chacun un injecteur ou une source interne. Dans ces conditions, le cyclotron peut accélérer simultanément plusieurs faisceaux injectés en ces emplacements, ce qui peut permettre de gagner en intensité compte-tenu des problèmes de charge d'espace à l'injection. La figure 11 illustre un exemple de multi-injection.
Chaque enroulement 5 dispose de son propre cryostat ou les deux enroulements 5 sont logés dans un même cryostat. Un cryostat permet de maintenir le matériau supraconducteur à une température supraconductrice. Ce matériau est, de façon connue en soi, au contact d'une semelle de cuivre qui permet de conduire le courant électrique lors de la sortie de l'état supraconducteur.
Dans la région périphérique du cyclotron, au niveau des portions 13 des enroulements 5 des secteurs colline 2, les cryostats des enroulements 5 supérieur et inférieur peuvent se rejoindre, ce qui peut conduire à n'avoir qu'un seul cryostat.
L'extraction des particules d'un cyclotron selon l'invention peut s'effectuer de diverses façons.
Une première technique d'extraction est d'utiliser un éplucheur électronique, ce qui peut être utile par exemple lorsque les particules accélérées sont des ions H2 . Au passage de Γ éplucheur électronique, les ions H2 + peuvent être transformés en ions H+ qui, du fait de leur moindre masse, suivent une trajectoire de courbure différente dans le champ magnétique, comme illustré à la figure 12.
L'éplucheur peut être placé à la sortie d'un secteur colline de façon à ce que le faisceau H+ soit dévié vers l'extérieur du cyclotron et canalisé ensuite de façon adaptée hors du cyclotron.
Le cyclotron selon l'invention peut également convenir à une extraction dite à tours séparés, en faisant en sorte que deux trajectoires consécutives soient décalées radialement suffisamment pour permettre la déviation du faisceau sur son dernier tour.
Pour ce faire, il peut être avantageux de disposer, comme illustré aux figures 8 et 9, du côté radialement intérieur du secteur vallée utilisé pour l'extraction, un jeu de barres 15, 16 en matériau ferromagnétique, dont deux barres 15 plus larges, qui créent entre elles un canal d'extraction, ces barres 15 étant précédées en se rapprochant de l'axe X d'une série de barres perturbatrices 16 de correction d'harmoniques, disposées de façon à donner au champ magnétique le profil recherché. Une telle disposition permet de créer une bosse du champ magnétique inverse pour donner de la courbure au faisceau extrait, contrairement au cas classique où le champ magnétique n'est pas inversé dans lequel il faudrait créer un creux de champ magnétique ou un champ électrique radial en introduisant des pièces dans le plan médian entre le faisceau extrait et la dernière orbite interne pour créer la courbure du faisceau extrait. La solution illustrée est une solution de canal passif, mais des solutions comportant des éléments de canal actifs pourraient être mises en œuvre. On a représenté à la figure 10 le résultat d'une simulation du champ magnétique dans le plan médian en fonction de la distance à l'axe X, faisant apparaître la perturbation locale induite par la présence du jeu de barres 15 et 16 de la figure 9.
Dans la zone d'extraction, le secteur vallée 3 peut présenter un décrochement 20 vers le plan médian, de façon à former une partie rapprochée permettant d'accroître localement l'intensité du champ magnétique inverse, et ainsi d'incurver davantage la trajectoire des particules pour faciliter leur sortie.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de cyclotrons qui viennent d'être décrits.
Bien que l'invention s'applique tout particulièrement aux cyclotrons supraconducteurs, l'invention peut néanmoins trouver un intérêt dans les cyclotrons non supraconducteurs .
L'invention n'est pas limitée à l'accélération d'ions de type H+ ou ¾+ et s'applique à l'accélération d'autres ions, notamment des ions plus lourds avec extraction par modification de l'état de charge.
Les particules accélérées à l'aide d'un cyclotron selon l'invention peuvent être utilisées dans de nombreuses applications, par exemple la fabrication d'isotopes radioactifs en dirigeant le faisceau vers une cible ou pour alimenter un réacteur nucléaire sous-critique piloté par accélérateur, dit « ADS ».
L'expression « comportant un » doit être comprise comme étant synonyme de « comportant au moins un ».

Claims

REVENDICATIONS
1. Cyclotron (1), comportant :
un bobinage,
- une pluralité de secteurs colline (2) en matériau ferromagnétique, dans l'entrefer desquels le champ magnétique généré par le bobinage est orienté de façon à induire une trajectoire des particules autour de l'axe (X) du cyclotron, ces secteurs colline étant séparés par des vallées,
le bobinage s'étendant, entre au moins deux secteurs colline disposés de part et d'autre d'une vallée, en se rapprochant de l'axe du cyclotron, de façon à ce que selon l'axe (V) de cette vallée, le champ magnétique auquel sont soumises les particules en cours d'accélération dans le cyclotron passe d'une polarité de même signe que dans les collines à une polarité inverse, quand le rayon augmente.
2. Cyclotron selon la revendication 1 , comportant des secteurs vallée (3) en matériau ferromagnétique disposés là où le champ magnétique est d'orientation inverse de celui régnant dans l'entrefer des secteurs colline.
3. Cyclotron selon la revendication 2, les champs magnétiques dans un secteur colline et dans un secteur vallée consécutifs étant générés au moins partiellement par une portion (6) de bobinage, commune à ces secteurs (2, 3).
4. Cyclotron selon l'une revendications 2 et 3, comportant une alternance de secteurs colline (2) et de secteurs vallée (3) lorsque l'on se déplace circonférentiellement autour de l'axe (X) du cyclotron.
5. Cyclotron selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, le nombre de secteurs vallée (3) étant moindre que celui des secteurs colline (2).
6. Cyclotron selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, les secteurs colline (2) s'étendant radialement vers l'axe (X) du cyclotron plus loin que le rayon auquel le champ magnétique s'inverse dans les vallées.
7. Cyclotron selon l'une quelconque des revendications précédentes, le bobinage étant supraconducteur.
8. Cyclotron selon l'une quelconque des revendications précédentes, le bobinage s'étendant sur une révolution complète autour de l'axe (X) du cyclotron.
9. Cyclotron selon l'une quelconque des revendications précédentes, le bobinage comportant entre deux secteurs colline (2) au moins une portion (6) s'étendant en s'éloignant du plan médian, lorsque l'on se rapproche de l'axe (X) du cyclotron.
10. Cyclotron selon l'une quelconque des revendications précédentes, au moins un secteur colline (2) s'étendant radialement vers l'axe (X) du cyclotron moins loin que les autres.
11. Cyclotron selon l'une quelconque des revendications précédentes, étant à injection multiple, notamment dans des zones ménagées par l'absence de secteur colline (2), du fait de la moindre extension vers l'axe (X) du cyclotron de certains secteurs colline.
12. Cyclotron selon l'une quelconque des revendications précédentes, étant à injection de ¾+ et formation de H+ par épluchage électronique ou à injection de H+ et extraction de H+ par séparation de tours.
13. Cyclotron selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant un canal d'extraction situé entre deux secteurs colline (2) adjacents, notamment un canal d'extraction formé entre deux barres (15) d'un matériau ferromagnétique ou parcourues par un courant, ces deux barres étant notamment disposées entre les deux secteurs colline (2) .
14. Cyclotron selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant un secteur magnétique disposé dans une vallée là où le champ magnétique est inverse de celui régnant dans l'entrefer des secteurs colline, ayant une partie (20) rapprochée du plan médian d'entrefer, dans une zone d'extraction.
15. Cyclotron selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant un écran en graphite disposé dans l'entrefer.
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