Brevet FR2188398A1 — publié le 19740118

L'invention, due à CHA@@HLOV Vladimin Lukyanovich, @VCNTSO@ Alexandr Akimovich, F@L@MONCV Anatoly @leex vich,concerne les accélérateurs d'électrons à induction, nommés bêta@@ons, qui sont employés pour les recherches de physique et @@ @iologie, en défectoscopie et en médecine, et elle a notamm@nt trait aux électroaimants de bêtatrons. On connaît des électroaimants de bôtatrons, comprenant un circuit magnétique avec des pôles limitant la zone @@ travai@ dans laquelle se place la chambre à vide du bêtatron, et un enroulement d'excitation, dans lesquels les pôles sont réalisés sous la forme de disques coniques avec une partie centrale plate. Dans les électroaimants de bêtatrons ainsi conçus, par suite de l'irrégularité de l@ distribution du flux magnét que dans la zone de l'entrefer de travail, @@ fer du pôle est incomplètement chargé car, dans la zone de la partie centrale plate du pôle, l'induction magnétique atteint le valeur de l'induction de saturation (environ 15 000 Gs), tandis que dans la région orbitale d'équilibre, quand le rapport de bêtatron (2/1) est réalisé, l'induction magnétique est de plusieurs fois plus petite (environ 3000 à 5000 Gs). Les fuites importantes @e flux megnétique @ la surface extérieure frontale des pôles, qui ne @ont pratiquement pas utilisées, abaissent le rend@ment de l'installation e@@augmentent son poids et son encombrement. En outre, les forces de concentration egissant sur @e faisceau d'électrons à accélérer sont relativement faibles, car le gradient n du champ se situe entre 0 et 1 (0 On s'est proposé de cré@r un électro@imant de bêt@tron d@nt les pôles seraient conçus de telle façon qu'ils permettraiont de formerun champ magnétique de commande à caractéristiques de concentration augmentées, de diminuer le champ de fuite à la surface extérieure frontale des pôles et d'améliorer les conditions de refroidissement des pôles. La solution consiste en ce que, dans un électroaimant de bêtatron comprenant un circuit magnétique avec des pôles limitant la zone de travail dans laquelle se place la chambre à vide du bêtatron, et un enroulement d'excitation, selon l'invention, chaque pôle de l'électroaimant a une partie centrale pleine et au @@@ns @rois ailettes radiales sur @ parti central@, ces @i@@ttes n@ sortant pas des limites de zone @@ trav@i@. @l est avantageux que les ai@ettes d@@ l'un des @ôles so@@nt disposées en regard des ailett@s d@@@@autre pôle. @@ est avantageux que les surfaces frontales des @il @@@@ s@@trouvant du côté de @a zone d @ravail soient réal@sées con ceves, @@s points d'é@@ignement maxima@ de ces surfaces par rapport @u plan médian @u bêtatr@n devant être situés auprès d'une surface cylindrique dont la direct@ice est @'orbite d'équilibre moyenne. Les ailettes d'un des pôles peuvent être décalées angulairement par rapport aux ailettes de l'autre pôle. La réalisation de l'électro@imant de bêtatron, selon la présente invention, permet de former dans les bêtatrons un champ de commande variable dans le temps, à gradient variable on valeur et alterné en azimut, avec variation azimutale, champ qui à, comme On se sait, de meilleures propriétés de concentration. La diminution de la surface frontale extrieure des pôles permet de diminuer d'environ 4C à 50% le flux de fuite à cette surface, et en même tens, on obtient une augmentation de la surface de refroidissement et l'amélioration des conditions d'évacuation de la chaleur. La diminution totale du poids du circuit magnétique peut atteindre 20%. Dans ce qui suit, l'invention est explicitée par des exemples concrets de réalisation et des dessins annexés qui représentent en fig. 1, un électroaimant de bêtatron en coupe, selon @'invention; en fig. 2, la coupe suivant II-II sur la fig. 1, selon l'invention; en fig. 3, une des ver'antes de réalisation des ailettes des pôles de l'électroaimant, selon l'invention; en fig. 4, un schéma de disposition relative des pôles de l'électroaimant, selon l'invention. Les fig. 1 et 2 représentent deux projections d'une des variantes de l'électroaimant propose, avec six ailettes radiales i sur les parties centrales cylindriques 2 des pôles 3 et 4. L'électroaimant ce betatron est scindé suivant le plan médian 5, et il se compose de deux moitiés identiques 6 et 7. Les deux moitiés 6 et 7 sont solidarisées par des tiges filetées (non représentées sur les fig. 1 et 2), dont une passer par le trou central 8. Le flux magnétique est créé par les enroulements 9, disposés autour des surfaces frontales extérieures 1G des ailettes 1. Pour que le flux magnétique se ferme, on prévoit ces éléments de fermeture 1i constituant un circuit magnétique inverse.Le rapport de bêtatron (2/1), qui reste également Juste pour les bêtatrons ayant des pales conçus comme indiqué, est obtenu grâce à l'intercalation, entre les piles 3 et 4, d'éléments rapportés centraux 12, séparés les uns des autres par des cales 13 en matière isolante non ferromagnétique. Les ailettes 1 appartenant à l'un des pôles 3 ou 4 sont réalisées de telle façon que la distance entre leurs surfaces latérales 14 augmente au fur et à mesure que le rayon croîts Les ailettes 1 appartenant au pale 3 sont disposées en regard des ailettes appartenant au pale 4.Les surfaces frontales 15 des ailettes 1, se trouvant du côté de la zone de travail 16 dans laquelle se place la chambre à vide du bêtatron, peuvent être réalisées de telle façon que l'entrefer interpolaire 17 qu'elles constituent croisse suivant le rayon, ou bien reste constant, ou bien encore diminue suivant le rayon. Dans l'exemple décrit, les surfaces frontales 15 des ailettes 1 du pale 3 sont parallèles aux surfaces frontales 15 des ailettes 1 du pale 4, et l'entrefer interpolaire 17 ne varie pas suivant le rayon. Les ailettes 1 sont réalisées de longueur telle que l'orbite d'équilibre moyenne rZ passe à peu près en leur milieu. Les ailettes 1 sont constituées par empilage de tôles magnétiques 19, qui peuvent être disposées, soit le long des ailettes , soit en travers, soit sous un certain angle par rapport aux axes 20 des ailettes 1. Cette dernière variante est préférentielle, car elle confère une meilleure structure de phase au champ de commande mis en forme par lesdites ailettes 1 dans la zone de travail 16. La fig. 3 représente une autre variante de réalIsation de l'électroaimant de bêtatron, dans laquelle, i la di-Ifèrence de la variante représentée en fig. 1, 2, les surfaces frontales 15 des ailettes 1 des pales 3, 4, se trouvant du côté de la zone de travail 16, sont réalisées concaves, es -j-oInts 21 d'éloignement maximal des surfaces 15 par rapportas plan médian du bêtatron étant situés auprès d'une surface cylindrique dont la directrice est l'orbite d'équilibre moyenne 18. La fig. 4 représente une variante de disposition des pôles de l'électroaimant de bêtatron dans laquelle, à la différence de la variante représentée en fig. 1 et 2, les pales 3 et 4 sont placés de telle façon que les ailettes 1 du pale 3 soient décalés d'un angle &alpha; par rapport aux ailettes 1 du pale 4. La réalisation des pôles représentés par les fig. 1 à 4 stavère possible grâce au fait que la section du fer des pales, assurant le passage du flux magnétique nécessaire pour retenir les électrons accélérés sur l'orbite d'équilibre 18, est beaucoup plus petite que la section de l'entrefer de travail au plan médian 5. De la sorte, il devient possible de modifier la configuration des pales en supprimant une partie du fer, ainsi que de le réaliser sous la forme d'au moins trois ailettes radiales sur la partie centrale 2. Dans une telle conception, le nombre, les dimensions et la forme des ailettes 1 sont choisies en partant de la condition selon laquelle le flux magnétique nécessaire pour retenir les électrons sur ltorbite d'équilibre 18 doit pouvoir. La largeur des ailettes dans la conception proposée des pales se détermine approximativement par la formule (1): B = 2J/ro Ho (1) H c N dans laquelle Ho est la valeur moyenne du champ magnétique au rayon rO de l'orbite d'équilibre moyenne, Hc la valeur du champ magnétique dans le cer cle des éléments rapportés centraux de rayon rc, N le nombre d'ailettes sur un pôle. en modifiant le profil des surfaces frontales 15 des ailettes 1 se trouvant du côté de la zone de travail 16, on peut obtenir sous l'ailette un champ magnétique décroissant, croissant ou constant suivant le rayon. Dans l'espace entre les ailettes 1, dans lequel le champ magnétique est créé grâce aux flux de fuite sur les surfaces latérales-14 des ailettes 1, le champ magnétique est toujours décroissant, car la distance entre les surfaces latérales 14 augmente suivant le rayon. Dans tous les cas, les surfaces frontales 15 des ailettes 1 se trouvant du côté de la zone de travail 16 sont choisies de profil tel que le gradient du champ moyen en azimut se situe entre C et 1 (0 En outre, un tel champ assure une force de concentration verticaie additionnelle résultant des variations du champ en azimut, comme, par exemple, dans les cyclotrons isochrones. Une augmentation supplémentaIre du pouvoir de concentration du champ de corrJnanae est obtenue à l'aide de pôles conçus comme représenté en fig. 3. L'accroissement du pouvoir de concentration du champ est obtenu grâce au fait que les surfaces frontales 15 des ailettes 1 se trouvant du côté de ia zone de travail 16 sont réalisées concaves; il en résulte que le gradient du champ sous les ailettes 1 a un signe différent selon qu'on stécarte d'un côté ou dG l'autre de l'orbite d'équilibre moyenne 18. La concentration des électrons avec des pôles ainsi conçus est cbtenue par suite du fait que, dans la portion circulaire de la zone de travail 16 comprise entre la partie centrale 2 et l'orbite d'équilibre moyenne 18, la moyenne en azimut du gradient du champ est choisie ovale, par exemple, à 0,5-0,7. Dans cette portion, la distance entre les surfaces latérales 14 des ailettes 1 est petite, l'amplitude des variations du champ est réduite et leur influence sur la valeur de la force de concentration est faible. Su-delà du rayon moyen de l'orbite d'équilibre 1E, la distance entre les surfaces latérales 14 des ailettes 1 est grande, -l'amplltude des variations du champ augmente, aussi la moyenne en azimut du gradient du champ peut-elle être proche de l'unIté, ce qui abaisse les forces de concentration dans la direction radiale. En changeant le signe du gradient du champ sous les ailettes 1, aux points proches du rayon moyen de l'orbite d'équilibre 18, on diminue la moyenne en azimut du gradlent du champ au-delà de ltorbite d'équilibre moyenne, ce qui accrot les forces de concentration dans a direction radiale et augmente la valeur de ''ouverture utile utilisée de la chambre à vide. n outre, la présente invention admet d'autres procédés de correction du champ de commande, par exemple par variation de la largeur des ailettes obtenue en donnant un profil approprié aux surfaces latérales 14 es aiglettes 1. a variante d'élcctroalmant représentée en fig. 4, sur laquelle on n'a montré que les pôles, permet d'obtenir une augmentation supplémentaire des forces de concentration gracie à la transformation de l'orbite d'équilibre 16 en une spirale tridimensionnelle. Cela s'explique par le fait que le champ formé mis en forme a toutes ses composantes Hz, Hr, Ho, sur le plan médian 5. Un tel champ a une symétrie verticale. Les plans de symétrie passent par les axes 20 des ailettes ^. En modifiant l'angle de décalage des ailettes 1, on peut régler les valeurs des composantes du champ. Il est commode de donner à l'angle &alpha; de décalage la valeur # /N (N étant le nombre d'ailettes dtun pôle), ce qui assure une périodicité favorable au champ mis en forme. En outre, la présence d'une composante azimutale Ho du champ peut améliorer le processus d'injection et de capture des électrons pour l1accélération. Les ailettes 1 peuvent être réalisées hélicoïdales, ce qui se traduit par une augmentation supplémentaire des forces de concentration dans la direction verticale. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraIre toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Un électroaimant de bêtatron comorenant un circuit ma gnétique avec des pôles qui limitent la zone de travail dans laquelle se place la chambre à vide du bêtatron, et un enroulement d'excitation, caractérisé en ce que chaque pôle de ltélec- troaimant a une partie centrale pleine et au moins trois ailettes radiales sur la partie centrale, ces ailettes ne sortant pas des limites de la zone de travail. 2. Un électroaimant de bêtatron suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les ailettes de l'un des pôles sont disposées dans l'alignement des ailettes de l'autre pôle. 3. Un électroaimant de bêtatron suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les surfaces frontales des ailettes du côté de la zone de travail sont réalisées concaves, les points d'éloignement maximal de ces surfaces par rapport au plan médian du bêtatron étant situés auprès d'une surface cylindrique dont la directrice est l'orbite d'équilibre moyenne. 4. Un électroaimant de bêtatron suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les ailettes de l'un des pôles sont décalées angulairement par rapport aux ailettes de l'autre pôle.