Brevet FR2484182A1 — publié le 19811211

l 2484182 La présente invention concerne un ensemble de dé- viation de faisceau servant à infléchir un faisceau de particules chargées et à le concentrer sur une cibleelle a trait plus particulièrement à un ensemble doublement achroma- tique à deux aimants de focalisation. Dans les accélérateurs d'électrons actuels à usage thérapeutique,il est habituellement nécessaire d'avoir un ensemble d'aimants de déviation qui dévie d'environ 90 un faisceau d'accélérateur en l'envoyant sur une cible. Il faut que la géométrie soit suffisamment peu encombrante pour une gamme d'énergies d'électrons de 5 à 25 MeV. Cette géométrie exige habituellement de replier le faisceau sur lui-même ce qui aboutit à un faisceau dévié faisant un angle de 225 à 2800. Etant donné la large dispersion d'énergie des élec- trons du faisceau et les restrictions nécessaires de l'angle de divergence du faisceau sur une cibleun ensemble double- ment achromatique est nécessaire. Dans Review of Scientific Instruments, volume 34,page 385,1963,H.A. Enge décrit un ensemble à un seul aimant qui est doublement achromatique pour dévier un faisceau de 2700. Toutefoiscet ensemble serait difficile à fabriquer et nécessite un cadrage et un ajustement très précis du champ. Les ensembles doublement achromatiques classiques à double focalisation sont basés sur un plan de symétrie inver- se placé à mi-chemin dans le système magnétique. Des exemples d'ensembles symétriques à trois aimants sont décrits dans les brevets US 3.691.374 et 3.867.635. Un exemple d'ensemble à 1800 à quatre aimants est décrit dans le brevet US 3.967.225. On a trouvé que ces ensembles ont des dimensions orbitales relativement grandes,la dimension orbitale étant la distan- ce perpendiculaire ou hauteur du système magnétique au-dessus de la projection de l'axe d'entrée. L'invention est illustrée,à titre d'exemple non limi- tatif, aux dessins annexés sur lesquels: Fig.l représente schématiquement l'ensemble magné- tique de déviation de faisceau selon l'invention; 2 2484182 Fig.2 représente schématiquement l'effet d'une cviation par aimant supérieure à 1800 sur un faisceau de particules chargées; Fig.3 représente schématiquement l'effet d'une déviation par aimant inférieure à 900 sur un faisceau de particules chargées et Fig.4 illustre un mode de réalisation de l'ensemble magnétique de déviation de faisceau comprenant un doublet qua- dripôle servant à modifier les propriétés de focalisation spatiale. La présente invention a pour objet un ensemble magnéti- que de déviation dans lequel la dimension orbitale du faisceau est réduite. L'ensemble magnétique de déviation de faisceau de l'in- vention comprend un premier et un deuxième aimant dipÈle. Le premier aimant dipôle dévie le faisceau dans un plan le long d'un trajet ayant un rayon de courbure ?1 et un angle de courbure 1 supérieur à 1800 et inférieur à 2250.Le premier aimant présente un bord de sortie effectif à un angle de (900 ) relativement au trajet du faisceau à la sortie. Le deuxième aimant dipôle dévie,en outre,le faisceau dans le plan le long d'un trajet ayant un rayon de courbure ?2 et un angle de courbure l"2 inférieur à 90 . Le deuxième aimant présente un bord d'entrée effectif à un angle de (90 - 7 2)relativement au trajet du faisceau,avec 2 1.-4j2.Le bord de sortie effectif du premier aimant se trouve à une distance de déri- ve D du bord d'entrée effectif du deuxième aimant,D étant choisi de manière à harmoniser les dispersions des premier et deuxième aimants dipÈlesdans la zone de dérive. La déviation totale de l'ensemble peut être supérieure à 2250 mais inférieure à 2800 et les bords intérieurs des di- pôles sont de préférence à un angle 'f 2 i 12 2 ou 7 étant de l'ordre de 6-2 (&1 1) Dans un ensemble magnétique de déviation peu encombrant servant à dévier le faisceau d'un angle de l'ordre de 2700, 2 sera normalement pratiquement égal à P1 et la distance de dérive D sera donc, de préférence,égale à (1 + cos 2 2) I 1+ s.n.t2)2 sin 45 et,de préférence, 2 2 sera de l'ordre de 45 . D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaItront dans la description détaillée des dessins. L'ensemble magnétique de déviation de faisceau selon l'invention est décrit en liaison avec la figure 1. Tous les angles de bord 1 1 2 ' l1 et 12 indiqués sur la figu- re 1 sont considérés,par convention,comme ayant un signe positif. L'ensemble comprend deux aimants dipÈlesl et 2 à faces approximativement parallèles qui servent à dévier un faisceau de particules chargées 3 tel qu'un faisceau électro- nique,provenant d'un accélérateur,suivant des trajets ayant des rayons de courbure pratiquement constants f1 et r2 qui peuvent &tre similaires. Le premier aimant 1 dévie le faisceau d'un angle 6l.Son bord d'entrée 4 fait un angle 1 avec une ligne perpendiculaire au faisceau 3 tandis que son bord de sortie 5 fait un angle 4 1 avec une ligne perpendiculaire au trajet. Le bord d'entrée 6 du deuxième aimant 2 est placé à une distance de dérive D relativement au bord de sortie 5 de l'aimant 1. L'aimant 2 dévie le faisceau d'un angle Q2. Son bord d'entrée 6 est pratiquement parallèle au bord de sortie 5 et son bord de sortie 7 fait un angle 42 avec une ligne perpendiculaire au trajet de faisceau 3. Les bords d'entrée et de sortie 4, 5, 6 et 7 indiqués en trait plein sur la figure 1 sont habituellement appelés bords effectifs de coupure nette d'un aimant dipôle et sont déterminés par les champs magnétiques de déformation de cet aimant. Etant donné que l'aimant 1 dévie le faisceau d'un angle égal ou supérieur à 180 , 2 p 1 est la hauteur orbitale h du faisceau pour l'ensemble. Cette orbite est maintenue à un minimum car le faisceau 3,une fois qu'il quitte l'aimant I, n'est pas projeté vers le haut. Les figures 2 et 3 servent à expliquer le principe selon lequel on obtient la double achromaticité. Lorsqu'un faisceau en pinceau l0,de divergence nulle,situé dans l'axe, ayant un étalement d'énergie fractionnaire + S, est injecté dans un aimant dipôle Il présentant des bords d'entrée et de sortie 14 et 15 pour dévier le faisceau de plus de 1800,le faisceau de sortie 13 est convergent comme le montre schémati- quement la figure 2. *Lorsqu'un faisceau similaire 10 est injecté dans un aimant dipôle 12 de polarité opposée présentant des bords d'entrée et de sortie 17 et 16 pour dé- vier le faisceau de moins de 900,le faisceau de sortie 18 est divergent comme l'indique schématiquement la figure 3. L'ensemble magnétique de déviation de faisceau de la figure 1 combine ces deux effets: (l)en harmonisant l'angle de convergence produit par l'aimant 11 avec l'angle de divergence produit par l'aimant 12 et (2)en choisissant la distance appropriée D entre les aimants de façon telle que les rayons présentant un étalement d'éner- gie fractionnaire + i se chevauchent exactement dans la zone située entre les aimants dipÈlesll et 12. L'adaptation des angles des rayons et le calcul de la distance correcte de séparation D pour le chevauchements'effectuent tous deux facilement de la façon suivante. Le taux de variation de l'angle du faisceau avec l'énergie du faisceau à la sortie du premier aimant 11 est: de8 = _ sin 1 + ( 1 - cos 01) tg î I Pour un faisceau injecté en sens inverse dans le deuxième aimant 12, sa polarité étant inversée,le taux de variation de l'angle du faisceau avec l'énergie du faisceau est donné par d O d È -L sin 2 + ( 1 - cos 92) tg 72 J (2) Pour obtenir un ensemble doublement achromatique de deux aimants 1l et 12 de même polarité,il faut faire en sorte que les deux taux de variation de l'angle avec l'énergie soient égaux en valeur absolue et de signe opposé. I1 faut aussi harmoniser les dispersions des deux aimants 11 et 12 sur la région de dérive. On y parvient en choisissant la distance de dérive D entre les bords effectifs de coupure nette des aimants 11 et 12 selon la relation: Ol(1- cos 1) - P2 ( 1 - cos 2 (3) d OB] dg ler aimant Dans le cas o P2 = plon a (cos 02 - cos O) D= d d OB d 9 ler aimant On notera que cos Q2 et (- cos 01)sont tous deux des nombres positifs de la gamme de valeurs possibles pour cet aimant. Bien que le principe fondamental de double achromati- cité ne dépende pas du parallélisme des bords intérieurs 15 et 16,la focalisation axiale dans la direction perpendiculaire au plan de déviation,nécessaire pour maintenir le faisceau dans une grandeur pratique d'entreferest seulement réalisée lorsque l'angle 1 est approximativement égal à - 12' Autrement dit,les bords intérieurs sont approximativement parallèles. T7 1 - 9 2 (4) Si,pour simplifier les calculs analytiques,on pose que les angles intérieurs 71 et 2 sont égaux et de sens opposé,les équations du premier ordre sont simplifiées et la contrainte d'harmonisation des angles de rayon devient T - 180 T ou 2 2 = 2 ( 1 - 1800)(5) relation dans laquelle: 0T= 01 + 02 (6) est l'angle de déviation total de l'aimant. Dans le cas d'un aimant déviant à 270 0,la contrainte quant aux angles devient 02 ' 12 = 45 (7) et pour 92 = 91' la distance de séparation entre les bords de coupure nette devient: (1+ cos 2 l 2) 2 cos212 (8) D =Pl =: (1+ in [2 (1 + 1,414 sin 2) (+ sin 45 0 Un exemple spécifique d'ensemble magnétique à 270 de la forme représentée sur la figure l,lorsque f 2 = ?,est le suivant: 2 1 = 193 (angle de déviation du faisceau dans l'aimant 1) 02 = 77 (angle de déviation du faisceau dans l'aimant 2) i = -32 (angle du bord de sortie de l'aimant 1) D12 = 32 (angle du bord d'entrée de l'aimant 2) D = 0,822 P1 (distance de dérive entre les bords de coupure nette 5 et 6) g = 0,2 Il (espacement de l'entrefer). Toutes les formules ci-dessus sont basées sur l'approximation du bord de coupure nette et sur une optique magnétique du premier ordre. Dans la conception complète d'un ensemble magné- tique,on incluerait habituellement un champ de déformation étendu et les effets du deuxième ordre qui provoquent de petites modifications des paramètres orbitaux centraux,des conditions de double achromaticité et des propriétés de foca- lisation spatiale,de façon connue des personnes familiarisées avec la technique des aimants,comme l'illustrent les publica- tions "Calculations of Properties of Magnetic Deflection Systems",S. Penner, Rev. Sci. Instr. 32, 150,1961; "Effect of Extended Fringing Fields on Ion - Focusing proper- ties of Deflecting Magnets", H.A. Enge, Rev. Sci.Instr. 35, 278, 1964;et "Focusing for Dipole Magnets with Large Gap to Bending Radius Ratios", E. A. Heighway, N.I.M. 123, 413, 1975. Le plus grand effet de modification, dans cet exemple, est celui des champs de déformation étendus dans l'espace entre les aimants. Cela est dû au fait que dans le présent ensemble magnétique de déviation très peu encombrant,l'entre- fer 1 est une fraction appréciable du rayon de courbure moyen. Par conséquent,les champs sont bombés dans la zone entre les pôles et en fait, les champs partant des deux pôles se chevauchent quelque peu,de sorte qu'en réalité il n'y a pas de zone de dérive dépourvue de champ entre les pôles proprement dits. On peut obtenir la correction de cet effet dans des calculs du premier ordre en utilisant soit le "Transport" (a Stanford linear Accelerator Laboratory Report SLAC-91), qui est un programme de traçage de rayon,soit tout autre programme permettant de concevoir des ensembles de transport de faisceaux de particules chargées,généralement connu. Une méthode simple pour calculer les effets de modifi- cation de la répartition des champs de déformation'étendus et se chevauchant consiste à admettre un champ magnétique constant convenablement choisi dans la région de dérive et à accroître la séparation des bords de coupure nette de façon que l'inté- grale du champ magnétique le long du trajet du faisceau soit la même que pour le champ effectif. Cela produit une modifi- cation des conditions doublement achromatiques de sorte que l'exemple précédent devient,si l'on utilise une optique magnétique du premier ordre: 01 = 197,3 02 = 60,0 il = - 320 12 = 32 0 = 1,19 ?l(distance entre les bords intérieurs de coupure nette 5 et 6 maintenant modifiés) g = 0,2 Pl' Si l'on étend ces calculs pour inclure les effets du deuxième ordre,la conception à fonctionnement optimal dépendra alors des propriétés du faisceau d'entrée et dans une faible mesure,d'un doublet quadripôle que l'on peut utiliser pour harmoniser les caractéristiques spatiales du faisceau d'entrée avec les propriétés de focalisation de l'aimant. L'inclusion d'un quadripôle magnétique à l'entrée de l'ensemble à deux aimants élargit la gamme de propriétés de focalisation spatiale sans influer notablement sur la double achromaticité. La figure 4 est une coupe suivant le plan du trajet du faisceau illustrant un exemple d'un ensemble magnétique selon l'invention. Cet ensemble est conçu pour accepter et focaliser sur une cible un faisceau 23 de 25 MeV à symétrie cylindrique,caractérisé par un rayon de 0,2 cm à 100 cm en amont du quadripôle,un angle maximal de divergence de + 2,5 milliradians et un étalement d'énergie de + 10%. L'ensemble comprend un électro-aimant avec des étriers latéraux 19,des étriers d'extrémité 20 indiqués en hachures et des faces de dipôle 21 et 22. Les faces de dipôle 21 et 22 présentent des bords chanfreinés d'une façon classi- que. Comme indiqué plus haut,les champs de déformation aux bords des pôles sont considérables dans un si petit ensemble et donc,les bords effectifs ou de coupure nette ne correspon- dent pas aux bords des pôles proprement dits,les bords de coupure nette 24,25,26.et 27 respectivement sont indiqués en trait interrompu près des bords proprement dits. L'ensemble est excité par des bobines 28 glissées par dessus les pôles de sorte que le plan des bobines est parallèle au plan du trajet du faisceau. En outre,on peut utiliser un doublet qua- dripôle 29 représenté schématiquement pour conditionner le faisceau 23 pour l'ensemble magnétique de déviation. Cet ensemble magnétique est optimal au deuxième ordre pour un rayon de déviation fi = ?2 de 7,0 cm et un entrefer 1 de 1,4 cm. Les paramètres de l'ensemble sont les suivants: O1 =197,6 2 = 59,7 1 = 32,00 2 = 32,0 +1 = 10,0 2 = 15,0 D = 7,38 cm L'espacement des faces polaires proprement dites le long du trajet du faisceau est de l'ordre de 0,3 cm de plus. On peut mettre en oeuvre de nombreuses variantes des modes de réalisation décrits ci-dessus sans sortir du cadre de l'invention et par conséquent, les exemples ci-dessus ne sont pas limitatifs. REVENDICATIONS 1. Ensemble magnétique de déviation d'un faisceau de particules chargées, caractérisé en ce qu'il comprend: -un premier aimant dipôle (1) servant à dévier le faisceau (3)dans un plan le long d'un trajet ayant un rayon de courbure 1 et un angle de courbure 1 supérieur à 180 et inférieur à 225 , ce premier aimant (l)présentant un bord de sortie effectif (5) à un angle (90 - T 1)relativement au trajet du rayon à la sortie et -un deuxième aimant dip1le (2)servant à dévier davantage le faisceau (3) dans le plan le long d'un trajet ayant un rayon de courbure ?2 et un angle de courbure É2 inférieur à 90 ,ce deuxième aimant (2) présentant un bord d'entrée effectif (6) à un angle (90 - 2)relativement au trajet du faisceau,avec 1 1 2 et le bord de sortie effectif (5)du premier aimant (1) étant à une distance de dérive D du bord d'entrée effectif (6) du deuxième aimant (2), D étant choisi de manière à harmoniser les dispersions des premier et deuxième aimants dipôles (1,2)dans la zone de dérive D. 2.Ensemble selon la revendication l,caractérisé par la relation 225 3. Ensemble selon la revendication 2,caractérisé par la relation 2 f 2 t 2-( 1 - 180 ) 4. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,caractérisé par la relation 2 = 5.Ensemble selon la revendication l, destiné à dévier le faisceau d'un angle de l'ordre de 2700,caractérisé par les relations 2 = 1 et (1 + cos 2 a.2) D * Plt (î + sin 450) 6. Ensemble selon la revendication 5,caractérisé par la relation 2 - 2 450