Brevet FR2126394A1 — publié le 19721006

La présente invention est relative, de façon générale, à un procédé et à un appareil pour l'extraction d'un faisceau, à partir de cyclotrons isochrones, et plus particulièrement à un procédé et à des moyens pour extraire un faisceau de haute qualité possédant 5 une puissance accrue. Selon un des aspects de la présente invention, on réalise un procédé d'extraction d'un faisceau de particules chargées circulant sur orbite dans un cvclotron, à l'intérieur de son champ magnétique de guidage et de sa zone de vide, ce procédé comprenant les étapes ■j^q consistant à effectuer la ségrégation continue de la portion de particules circulant sur orbite pour être extraite à un rayon d'extraction situé près de la bordure du champ magnétique de guidage en l'absence de tout champ de déflexion électrostatique et, ensuite, à dévier de l'orbite les particules ségrégées au rayon d'extraction par exposition à un champ de déflexion électrostatique dont le rayon de l'emplacement par rapport au centre du cyclotron s'accroît. Selon un autre aspect de la présente invention, on réalise un appareil pour extraire un faisceau de particules chargées se 2Q déplaçant sur orbite, dans un cyclotron, à l'intérieur de son champ magnétique de guidage et de sa zone de vide, cet appareil comprenant des moyens pour effectuer la ségrégation de la portion de particules se déplaçant sur orbite devant être extraite à un rayon d'extraction proche de la bordure du champ magnétique de gut 25 dage en l'absence de tout champ de déflexion électrostatique, et des moyens de drflexion électrostatique pour recevoir les particules ségrégées et définir un champ de déflexion électrostatique, dont le rayon de l'emplacement s'accroît par rapport au centre du cyclotron, pour dévier de leur orbite les particules ségré-3 0 9®es• Un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple va maintenant être décrit en se référant au dessin annexé dans lequel : La figure 1 est une vue en coupe partiellement schématique d'un cyclotron isochrone type, selon son plan médian; la figure 2 est une vue plane de l'assemblage de précloison et de déflexion électrostatique ; la figure 3 est une vue d'extrémité en élévation de l'assemblage de précloison et de déflexion électrostatique de la figure 2; 40 la figure 4 est une vue plane de l'unité de précloison 72 06291 2 2126394 seulement ; la figure 5 est une vue d'extrémité partiellement en coupe de l'unité de précloison de la figure 4; la figure 6 est une vue en élévation de l'unité de précloison 5 de la figure 4 depuis la zone centrale du cyclotron; et la figure 7 est une vue en coupe partielle de l'unité de précloison selon la ligne 7-7 de la figure 2 pour représenter ses moyens de localisation. Le faisceau extérieur provenant des cyclotrons isochrones 10 est généralement limité par la densité d'énergie élevée sur le dispositif d'extraction électrostatique. Toute tentative pour accroître la densité de faisceau extérieur augmente la densité d'énergie sur la cloison jusqu'à la détruire par suite de la chaleur créée par le choc sur elle des particules accélérées. Les 15 densités d'énergie sur la cloison dans les cyclotrons isochrones sont particulièrement élevées en premier lieu à cause de leur peti te hauteur de faisceau interne caractéristique. La présente invention est relative à un procédé et à un appareil d'extraction électrostatique pour cyclotrons isochrones 20 du type décrit dans la demande de brevet français n° 69/29615, déposée le 29 août 1969 et publiée le 4 septembre 1970. Le courant de faisceau extérieur des cyclotrons isochrones qui y est décrit peut être accru de façon remarquable par la ségrégation préliminai re des particules circulant sur orbite pour être extraites à l'ai- 25 de d'une précloison en l'absence de tout champ de déflexion élec-•» trique suivie par la déflexion électrostatique de ces particules ségrégées, comme décrit par les présentes. De cette manière la chaleur créée par le choc des particules circulant sur orbite est prise en charge par la précloison où elle est efficacement distri-30 buée et dissipée. Une déflexion plus uniforme se produit donc dans le canal de déflexion électrostatique du fait qu'il n'a pas besoin d'être conçu avec un cran de chocs. La figure 1 représente l'orientation des moyens de déflexior électrostatique et de la précloison par rapport aux autres compo-35 sants d'un petit cyclotron isochrone typique, à son plan médian. Un électroaimant principal à courant continu définit un champ magnétique de guidage pour les particules circulant sur orbite à l'intérieur de la zone de vide du cyclotron. L'aimant principal à courant continu comprend une table de support 2, une paire de 40 bras 3 d'interconnexion en fer et deux bases polaires cylindriques 72 Qfa2°1 3 2126394 4 en fer, dont l'inférieure est représentée dans la figure 1. Dans le mode de réalisation décrit, l'extrémité polaire inférieure est la plaque courbée 6b qui, avec les parois latérales ainsi qu'avec la plaque courbée supérieure similaire, constitue une chambre 5 de vide à l'intérieur de laquelle les particules chargées sont accélérées dans l'appareil. Trois pièces bombées conformées 9 sont montées sur chaque plaque courbe en des points se correspondant pour produire le champ variant en azimut nécessaire pour le fonctionnement isoçhro-10 ne. Une paire d'électrodes (dees) à 120° creuses, à l'intérieur de la chambre à vide fournissent un champ d'accélération de radio-fréquence et une source d'ions amène des ions pour être accélérés dans la zone centrale du cyclotron entre les deux électrodes (dees), tout ceci étant plus complètement décrit dans la demande 15 précédente mentionnée ci-dessus. Dans le présent mode de réalisation, le dispositif d'extraction comprend un moyen de déflexion électrostatique 30, et un canal magnétique 31 qui reçoit et concentre un faisceau d'ions dévié par le moyen de déflexion électrostatique. Une unité de 20 précloison 50 est également montée auprès du moyen de déflexion électrostatique 30 au rayon d'extraction et le précède par rapport à la trajectoire des particules circulant sur orbite. Les figures 2 à 7 représentent en détail une unité de précloi son 50 et son orientation par rapport au moyen de déflexion élec-25 trostatique 30. Ce dernier comprend une fine cloison courbée de tungstène 35 maintenue à un potentiel de masse et une électrode déflectrice courbée 3 6 qui est maintenue à un haut potentiel négatif (pour des particules accélérées à charge positive). La cloison 35 et l'électrode déflectrice 3 6 définissent entre elles 30 un canal électrostatique conformé 3 7 avec un gradiant de champ électrique élevé qui est placé de façon à croître en rayon par rapport au centre du cyclotron. Lorsque le champ est traversé par les particules ségrégées circulant sur orbite, il contraint les ions à se déplacer vers un rayon plus grand où ils ne sont plus 35 retenus par l'aimant principal sur une trajectoire circulaire. Lorsque l'unité de précloison est en place, la cloison n'a pas besoin d'avoir un cran pour répartir les chocs de particules. La cloison et l'électrode déflectrice sont soigneusement conformées et situées de façon que le faisceau extrait reste 40 centré dans le canal lorsqu'il se déplace-vers un rayon plus grard 72 06291 4 2126394 Toutes deux sont montées par-dessus une plaque de base non magnétique 38, refroidie à l'eau, montée de façon à pouvoir pivoter sur l'une des pièces bombées 9 comme représenté sur la figure l.La cloi son 35 est fixée à la plaque de base 38 et à une plaque supérieure 5 de refroidissement 39. Une paire d'isolants en alumine, en porte-à faux sur les montants 47 supportent l'électrode déflectrice creuse 3 6 en cuivre depuis la plaque de base 38. L'électrode 3 6 est refiroi die par un réfrigérant constitué par de l'eau amenée à son intérieur à travers un conducteur électrique creux 48a. et renvoyée à 10 travers un conducteur 48b. Les mêmes conducteurs 48a et 48b fournissent le potentiel électrique élevé à l'électrode à partir de son alimentation en énergie. Après avoir quitté le canal électrostatique 3 7, le faisceau dévié de particules extraites suit une trajectoire de rayon crois-15 sant et est concentré radialement par le canal magnétique 31. Alors que des courants de faisceau de sortie de l'ordre de 50 microampères de protons de 22 MeV peuvent être obtenus avec seulement le moyen de déflexion électrostatique décrit, une amélioration importante de l'intensité du faisceau externe est obtenue en utili 20 sant la précloison pour effectuer la ségrégation de façon préalable des particules à extraire avant leur entrée dans le canal élec trostatique 37. L'unité de précloison 50 représentée en détail sur les figures 4,5 et 6 comprend une mince précloison 51 courbée, en tungstène, brasée ou soudée à la plaque de base 52 de la précloi-25 son qui est elle-même montée sur la plaque de base 38 du moyen de déflexion électrostatique 30. Le bord menant désigné par 53 de la précloison 51 telle qu'elle est représentée dans la figure 6 est incliné vers le haut par rapport au plan médian du cyclotron dans la direction de déplacement sur orbite des particules. La précloi-30 son 51 est maintenue à un potentiel de masse et intercepte puis effectue la ségrégation de cette portion de particules en orbite au rayon d'extraction qui doivent être déviées de leur orbite par le canal électrostatique 37. Les particules en orbite sont normalement distribuées autour du plan médian et l'inclinaison du bord 35 menant 53 distribue le choc du faisceau sur une longueur considéra ble de précloison pour diminuer la densité d'énergie de choc et pour faciliter l'enlèvement de chaleur de la précloison.Par conséquent, la portion d'entrée du bord menant est d'un côté et sa portion arrière prend fin de l'autre côté du plan médian de la machine. 40 Le conduit de refroidissement 54 brasé à la précloison 51 porte 72 06291 5 2126394 l'eau de refroidissement qui lui est communiquée à travers des conduits d'eau de refroidissement 55 reliés à des canaux dans la base de précloison 52 qui sont en série avec le dispositif de circulation d'eau de refroidissement pour le déflecteur électrostati-5 que. Le réfrigérant depuis la conduite d'entrée 56 passe à travers la plaque de base 38 et un joint O-ring vers les canaux dans la base de précloison 52 puis à travers le conduit 54 de refroidissement de la précloison. Il retourne ensuite vers la base de précloison et se déverse à travers le joint O-ring 57 représenté en coupe dans la 10 figure 3 à l'intérieur du conduit 58 qui le transporte vers le conduit 59 et le dispositif - moyen de déflexion pour retourner finalement à la conduite de sortie 60. Le réceptacle 61 de faisceau en cuivre refroidi à l'eau monté sur la base de précloison 52 et interconnecté avec le dispositif hydraulique de réfrigération dans 15 la base de précloison protège des chocs de faisceau l'électrode déflectrice 36 du moyen de déflexion électrostatique. Dans le mode de réalisation représenté, l'unité de précloison 50 est fixée à la plaque de base 38 du moyen de déflexion électrostatique par une fixation articulée miniaturisée 62. Son orientation 20 par rapport au moyen de déflexion électrostatique est maintenue par des boulons de positionnement 63. Avec ure précloison telle que décrite une intensité de faisceau normale de 50 microampères de protons de 22 MeV est accrue de l'ordre de 100 à 150 microampères de protons de 22 MeV. 72 06291 6 2126394 REVENDICATIONS 1. Procédé pour extraire un faisceau de particules chargées dans un cyclotron à l'intérieur de son champ magnétique de guidage et de sa zone de vide, caractérisé par la ségrégation continue de la 5 portion de particules circulant sur orbite devant être extraite à un rayon d'extraction voisin de la bordure du champ magnétique de guidage en l'absence de tout champ de déflexion électrostatique, et la déviation consécutive des particules ségrégées de l'orbite au rayon d'extraction par l'exposition à un champ de déflexion 10 électrostatique, dont le rayon de l'emplacement s'accroît par rapport au centre du cyclotron. 2. Appareil pour mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 1, caractérisé par un moyen (50) pour effectuer la ségrégation de la portion de particules circulant sur orbite à extraire 15 à un rayon voisin de la bordure du champ magnétique de guidage en l'absence de tout champ de déflexion électrostatique, et un moyen (30) de déflexion électrostatique pour recevoir les particules ségrégées et pour définir au rayon d'extraction un champ de déflexion électrostatique, dont le rayon de l'emplacement s'accroît par rap-20 port au centre du cyclotrcn pouf dévier de l'orbite les particules ségrégées. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le moyen (50) pour effectuer la ségrégation des particules est une précloison inclinée et refroidie (35) disposée au voisinage du 25 et précédant le moyen de déflexion électrostatique (30) dans la trajectoire des particules. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la précloison (35) est inclinée d'un côté à l'autre du plan médian. 30 5. Appareil selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé par le fait que la précloison est à la masse. 6. Appareil selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé par un réceptacle de faisceau (61) protégeant des chocs de faisceaux l'électrode de déflexion (3 6) du moyen de déflexion 35 électrostatique.