Brevet FR2058485A1 — publié le 19710528

i 2058^85 Le présente invention, lue à Hubert LEBOUTET, se rapporte au domaine des dispositifs destinés à guider ou focaliser un faisceau de particules, telles que les électrons, faisant partie des constituants de la matière. Les applications sont notamment du domr.i-5 ne des accélérateurs de particules pour les recherches nucléaires et la ganmagraphie industrielle et médicale. Gn y fait souvent appel à l'action d'un champ magnétique créé entre des pièces polaires, déterminant un entrefer traversé par ledit faisceau. Lorsque le champ magnétique mis en oeuvre est de direction 10 perpendiculaire aux trajectoires des particules, l'effet obtenu est essentiellement une déviation,conduisant, pour celles-ci, ainsi que pour les pièces polaires elles-mêmes,à l'existence d'un centre de courbure. L'angle de déviation, pour un champ magnétique donné,dépend 15 des masses et des vitesses des particules, et dans le cas général dépend du produit de ces deux grandeurs, produit habituellement désigné sous le nom de "quantité de mouvement", quantité que en vue de simplification, on désignera ci-après par le terme "énergie". Un électro-aimant unique ne permet pas en général 20 d'obtenir des déviations identiques pour des particules d'énergies différentes; il n'est pas "achromatique en énergie". Au contraire, la combinaison de plusieurs de ces électro-aimants, séparés par des espaces de glissement où les particules ne sont soumises à aucun champ magnétique, peut permettre d'ef-25 fectuer des déviations, planes notamment, sur les faisceaux, pour les diriger dans des directions et en des points déterminés;tout en leur conservant den caractéristiques géométriques, électroniques et énergétiques précises, en particulier si l'on se limite toutefois à des angles de déviation faibles, inférieure à 60° 30 par exe-nple. La présente invention concerne un système permettant d'obtenir le? mêmes résultats pour des angles de déviation supérieurs , de 90° à 360°, de telle sorte essentiellement qu'une trajectoire droite à l'entrée du système soit transformée à la sortie en une 35 autre trajectoire droite dont la position et la direction sont 69 30797 2 2058485 indépendantes de 1'énergie desdites particules. Plus précisément, il s'agit d'un dispositif de déviation plane magnétique stigraatique et achromatique pour faisceau de particules, comportant, dans une disposition deux a deux admettent un plan de symétrie perpendiculaire au plan de ladite déviation, cuatro électro-aimants munis de pièces polaires déterminant ces entrefers dans lesquels peut passer ledit faisceau et y créant des champs magnétiques de mômes direction et sens, caractérisé en ce que : - les plans de celles des faces terminales, respectivement en vis-à-vis, appartenant aux pièces polaires de deux aimants successifs sont parallèles entre eux et perpendiculaires au parcours moyen dudit faisceau, - et sont séparés, dans le cas des deux aimants extrêmes, par des distances L reliées d'une part aux angles respectifs 0 que font entre elles les faces d'entrée et de sortie des deux aimants intermédiaires, d'autre part aux angles respectifs que font entre elles les faces d'entrée et de sortie des doux aimants extrêmes, et enfin au rayon de courbure moyen r dudit parcours moyen, par la relation r r L ~ tg 0 + tgo L'invention sera mieux comprise en se référant aux figures annexées, données à titre d'exemple. La figure 1 représente un aimant faisant partie du dispositif de l'invention. La figure 2 représente un dispositif conforme à l'invention, où les deux aimants intermédiaires sont groupés. La figure 3 représente sous forme schématique, les propriétés d'optique magnétique du dispositif de la figure 2. La fi,-jure 4 représente un dispositif conforme à l'invention, on les deux aimants intermédiaires sont séparée par une distance donnée. La figure 5 représente un dispositif où les deux aimants intermédiaires sont groupés et où les faces terminales des aimants extrêmes ne sont plus perpendiculaires au faisceau. 69 30797 3 2058485 La figure 6 représonte le même dispositif que sur la figure 5> Daia oùfes deux aimants intermédiaires sont séparés. La figure- 7 représente un exemple de réalisation pratique du dispositif conforme à l'invention. 5 Do.ns ruatre des figures, ont été représentées des trajectoi re^ typiques de pa-rticules, respectivement trajectoires A poulies particules d'énergie et de position moyennes, B pour les particules d'énergie moyenne mais de trajectoires inci dentes parallèles à A, et C pour les particules de position '0 moyenne mais d'énergie différente de la valeur moyenne. La figure 1 représente schématiquement un électro-aimant de déviation, et a pour but d'indiquer sur quelle propriété connue de ce type d'appareil s'appuie l'invention. L'électro-aimant se compose d'une culasse 1, de deux jambes 15 2, de deux bobines 3 de fil conducteur de l'électricité, et de deux pièces polaires 4 déterminant un entrefer 5 dans lequel peut passer le faisceau de particules pour y être dévié. Les faces d'entrée 6 et de sortie 7 de ces pièces polaires ont une intersection sur laquelle se trouve le centre de courbure 20 de la trajectoire moyenne 9 des particules déviées. Bans ces conditions, les lois physiques qui régissent l'optique électronique montrent que 1'électro-aimant possède une infinité de couples de points particuliers, tels que ïï et ri', situés dans le plan médian de l'entrefer et symétriquement par 25 rapport au plan de symétrie de l'aimant perpendiculaire à ce plan médian, tels que les particules comprises dans un certain domaine d'énergie ou ."dispersion en énergie" passant par l'un passent également par l'autre. Ces points sont "conjugués en énergie" du système de déviation. La posilion de ces couples de 30 points particuliers dépend des paramètres caractéristiques de fonctionnement de l'aimant, réunis dans des relations comportant l'angle des faces des pièces polaires de l'aimant, les distances respectives des points considérés aux faces qui leur font vis-à-vis, le rayon moyen dos trajectoires, la distance des trajec-35 toires extrêmes du faisceau par rapport à la trajectoire moyenne 69 30797 4 2058485 et la dispersion en énergie de ce faisceau. D'autre part 1'éloctro-aimant, pour des particules comprises ian.3 un certain domaine d'énergie et pénétrant dans son c-0.trej.er suivant une trajectoire moyenne, concentre ces particules, à let_r 5 sortie; en un point qu'en peut appeler "foyer en énergie . Par ailleurs, on peut définir» comme en optique lumineuse, un foyer géométrique d'un faisceau de particules u'énergie donnée, point de concours du prolongement des trajectoires de celles des particules sortantes, dont les trajectoires entrantes sont paral- -:0 ieioc à l'axe moyen du faisceau. Les systèmes de déviation magnétique n'admettent pas en général les mêmes propriétés d'optique géométrique dans le plan do déviation et dans le plan perpendiculaire à celui-ci $ on entendra ci-après, par foyer géométrique, celui qui concerne le pl?.n de ■5 déviation, le système suivant l'invention et ses variantes étant, dans le plan perpendiculaire a ce plan soit convergent, soit afocal, nais jamais divergent. La figure 2 représente à titre d'exemple un dispositif conforme à l'invention. 20 Le système de déviation magnétique comporte plusieurs aiciûiits tels que ceux représentés sur la figure 1, disposés en succession de façon que l'un des points conjugués en énergie d'un des aimants coïncide avec l'un des foyers d'énergie d'un autre cles aimants du systeme; le calcul montre qu'il est ainsi possible 25 d'obtenir un système total insensible au:: différences d'énergie des particules, donc, par analogie avec l'optique lumineuse où la longueur d'onde de la lumière serait remplacée par l'énergie-des particules, "non—dispersif11, ou "achromatique en énergie". On dit encore que le système est "afocal en énergie". 30 II se compose de trois électro-aimants du type représenté à la figure . Les champs magnétiques respectifs sont parallèles, de même sens et perpendiculaires au plan de la figure, et les plans de symétrie des entrefers sont les mêmes dans le plan de la figure. La disposition des deux aimants extrêmes est telle 35 que l'ensemble a comme plan de symétrie P; le plan de symétrie 69 30797 5 2058485 de l'aimant principal ou intermédiaire, que les plans des faces terminales de leurs pièces polaires font des angles C*C et eue les faces terminales en vis-à-vis des deux pièces polaires de deux aimants adjacents sont parallèles. La figure 3 représente schématiquement les trajectoires des particules dans le dispositif précédent. Il est possible d'y considérer l'aimant principal ou intermédiaire, d'angle double 2 9 comme l'addition de deux aimants élémentaires intermédiaires d'angle. 9 , dont les faces en vis-à-vis de leurs pièces polaires ont été amenées en contact. Si la distance entre les faces adjacentes de l'aimant extrême d'angle OC et de l'aimant principal ou intermédiaire d'angle 2 9 est choisie é/rale à -—i~- + , r , , on se trouve alors dans les tg G tgc*. » conditions de l'invention, et le- foyer .".'énergie du premier aimant coïncide avec lo conjugué en énergie H de l'aimant principal ou intermédiaire situé du même côté. Simultanément, le foyer géométrique du premier électro-aimant coïncide en H' avec le foyer géométrique du demi-aimant intermédiaire. A leur traversée du plan de symétrie F du système, toutes les trajectoires du faisceau sont parallèles. Cela peut s'énoncer en disant qu'en ce point les foyers en énergie, et géométrique sont rejetés à l'infini. L'expérience et la théorie montrent que l'on obtient à la sortie un faisceau dont la position et la direction sont indépendantes de l'énergie du faisceau : une portion droite de trajectoire de particule a l'entrée, caractérisée par sa position et sa pente, par rapport à l'axe moyen,et son écart en énergie par rapport à celle de la partie centrale du faisceau retrouve à la sortie les mêmes caractéristiques géométriques indépendamment Ct.v.c.i u écart. Ija seule modification apportée par le système do déviation est équivalente à une avance ou une translation en avant des trajectoires, ûe longueur géométrique égale à s in 29 + s in 2 Q( 69 30797 6 2058485 La figure 4 représente une variante du dispositif conforme à l'invention, où 1'aimant intermédiaire d'angle 20 a été divisé en deux aimants d'angle 6 , possibilité déjà indiquée plus haut , lesdits aimants ayant les faces en vis-à-vis de leurs pièces polaires à des distances égales du plan de symétrie P . L'introduction de cette longueur ou "espace de glissement" en ce point du parcours des particules ne change rien aux propriétés du système, puisque en ce point du faisceau, à la traversée du plan de symétrie, les foyers sont rejetés h l'infini. Seul l'effet déjà indiqué de la "translation en avant" subie par les caractéristiques géométriques de position et de pente du faisceau est modifié par l'effet de "translation en arrière", ou de retard dû à la longueur de l'espace de glissement, et pour une valeur particulière de cette longueur égale à sin 26 + sin 2d. , . . , , , , r 2 translation avant est exactement compensée. sin a Le faisceau sortant est identique au faisceau entrent en position et pente quelle que soit l'énergie. La figure 5 représente une autre variante du dispositif conforme à l'invention, où les faces-terminales des pièces polaires des aimants extrêmes font un angle non nul V avec les plans passant par les centres de courbure correspondants, les aimants intermédiaires étant groupés. Si l'angle e3^ l'effet obtenu dans le plan de figure est équivalent à celui d'une lentille divergente, et le foyer géométrique se déplace vers l'aimant intermédiaire. Pour une valeur particulière de l'angle ^ telle que situé dans le plan de symétrie P de tout le système. Par contre, comme le foyer d'énergie est encore, pour les trajectoires traversant ce plan, à l'infini, il est possible de placer en ce ' point du plan de symétrie un dispositif d'analyse des énergies de ses particules, tel qu'une fente mobile dans ce plan associé avec uii organe collecteur. , le foyer géométrique M' est sin 2& + sin 2 c 69 30797 7 2058485 La figure 6 représente une variante avantageuse du dispositif de la figv.ro 5 0ù l'aimant intermédiaire- d'angle 2 0 est divisé on deux ainants d'anyle 0 réparés par une distance 2 L'. Pour une valeur particulière do telle eue ? • 2 à sin ^ (si:" 20 + sin 2 o( ) - 2 — sin 9 Le foyer géométrique du demi-dispositif est encore dans lo plan de symétrie P de celui-ci, avec les avantages dé;jà indiqués concernant les possibilités d'analyse en énergie du faisceau, mais avec l'intérêt supplémentaire d'une plus grande commodité pour disposer les appareils nécessaires, entraînée par la présence de l'espace libre de longueur 2 L1 entre les deux aimants intermédiaires. Il peut être avantageux de créer l'effet de divergence recherché en conservant >„ l'angle ^ une valeur plus petite, de l'cr-dra de 60°, par exemple, et de compléter l'effet par deux lentilles magnétiques 2C et 2: de type connu disposées au-dala des faces terminales des aimants extrêmes. La figure S représente un exemple de réalisation du dispositif conforme a l'invention, vu en coupe, suivant le plan, de symétrie de l'entrefer. Le dispositif comporte une culasse 22, et deux jambes telles eue 23, communes aux trois éloctro-aimants décrits plus haut , ceux-ci étant particularisés roulement par leurs pièces polaires 24, 25 et 25. Les faces terminales 27 et 28 de l'aimant intermédiaire ont reçu une courbure cylindrique, selon une méthode connue, peur corriger l'aberration sphdrique du système. jiifin, une bobine magnétique 29, munie de ses connexions 30 et 3*, entoure l'ensemble des pièces polaires. 69 30797 8 2058485 REVENDICATIONS 1. Dispositif de déviation plane magnétique stigmatique et achromatique pour faisceau de particules, comportant, dans une disposition deux à deux admettant un plan de symétrie perpendiculaire au plan de ladite déviation, quatre électro-aimants 5 munis de pièces polaires déterminant des entrefers dans lesquels peut passer ledit faisceau et y créant des champs magnétiques de mêmes direction et sens, caractérisé en ce que : - les plans de celles des faces terminales, respectivement en vis-à-vis, appartenant aux pièces polaires de deux aimants 10 successifs sont parallèles entre eux et perpendiculaires au parcours moyen dudit faisceau, - et sont séparés, dans le cas les deux aimants extrêmes, par des distances L reliées l'une part aux angles respectifs 8 que font entre elles les faces d'entrée et de sortie des deux ai- 15 mants intermédiaires, d'autre part aux angles respectifs 0^ que font entre elles les faces d'entrée et de sortie des deux aimants extrêmes, et enfin au rayon de courbure moyen r dudit parcours moyen, par la relation : L = r + r tg 6 tg c 20 2. Dispositif suivant 1, où la distance 2 L' des plans de celles des faces terminales, respectivement en vis-à—vis, des pièces polaires des deux aimants intermédiaires prend une valeur particulière telle que t,_ sin 2 6 + sin 2 "A L. _ r 2 sin cX 25 3. Dispositif suivant 1, où la distance des plans de cel les des faces terminales, respectivement en vis-a-vis, des pièces polaires des deux aimants intermédiaires prend la valeur particulière 0. 69 30797 2058485 4. Dispositif suivant 1, où l'angle entre les plans des faces terminales des pièces polaires de chacun desdits quatre »i*ants a la même valeur. 5. Dispositif suivant 1, où les plans des faces e termi-5 nales extrêmes des pièces polaires des aimants extrêmes font avec les plans perpendiculaires au faisceau en ses points d'entrée et de sortie un angle tel que : , ^ 2 sin^ ^ •tg Y = sin 2 6 + sin 2 6. Dispositif suivant 1, où les plans des faces terminales 10 extrêmes les pièces polaires des aimants extrêmes font avec les plans perpendiculaires au faisceau en ses points d'entrée et de sortie un angletftel que : tgU 2 sin2 (sin 2 0 + sin 2 cC ) - 2 LJ. sin 2 6 r où 2 L1 est la distance des plans de celles des faces termina-15 les respectivement en vis-à-vis des pièces polaires des deux aimants intermédiaires. 7, Dispositif suivant 5, caractérisé en ce qu'il comporte deux dispositifs magnétiques respectivement placés au-dela de chacun desdits aimants extrêmes, et produisant dans le plan de 20 ladits déviation un effet de divergence réglable.