Brevet FR2544580A1 — publié le 19841019

G v CYCLOTRON A SYSTEME DE FOCALISATION-DEFOCALISATION L'invention concerne un cyclotron à système de focalisation- défocalisation permettant d'augmenter sensiblement la limite de puissance admissible lorsque l'on place la cible à l'intérieur de la structure accélératrice. Un cyclotron isochrone est un accélérateur de particules chargées (généralement des protons) qui se compose d'un électro- aimant comprenant deux pièces polaires occupant les deux faces axiales, c'est-à-dire perpendiculaires à l'axe, d'une cavité accélé- ratrice, cylindrique et relativement plate Une source de particules chargées est disposée au centre de cette cavité de sorte que le champ magnétique perpendiculaire à la trajectoire du faisceau de particules donne à celui-ci une trajectoire circulaire Un système d'accélération classique comporte deux électrodes plates constituées chacune de deux plaques parallèles en forme de portion de disque. Ces électrodes sont portées à une haute tension alternative, permet- tant d'appliquer aux particules quatre accélérations successives par tour Dans ces conditions, l'énergie des particules augmente et la trajectoire du faisceau n'est plus un cercle mais une spirale diver- gente qui amène les particules jusqu'à la périphérie de la cavité accélératrice Dans le cas o on désire faire sortir le faisceau de la cavité accélératrice (par exemple pour bombarder une cible de façon à créer un isotope radioactif) on utilise un canal électro- statique courbe porté à une haute tension pour arracher le faisceau de l'attraction du champ magnétique et l'extraire tangentiellement de la cavité Cet organe est l'un des plus exposés du cyclotron et nécessite d'être particulièrement bien positionné par rapport au faisceau incident pour avoir le meilleur rendement d'extraction possible et aussi pour éviter qu'il ne soit bombardé par une fraction trop importante du faisceau incident Ceci nécessite une très grande finesse du faisceau, autrement dit une bonne focalisation dans toutes les directions On caractérise le faisceau par sa focalisation 2 - horizontale (ou radiale) dans le plan de la spirale et par sa focalisation verticale dans la direction perpendiculaire aux pièces polaires On sait que la focalisation horizontale peut être obtenue en augmentant la valeur du champ magnétique en fonction du rayon Ce gradient de champ dans la cavité permet aussi de compenser l'effet de l'augmentation de la masse de la particule au cours de son accélération (effet relativiste) En revanche, ce gradient est nuisible pour la focalisation verticale On a résolu ce problème en soumet- tant la particule, à chaque tour, à une succession alternée de champs forts et de champs faibles Ceci est obtenu grâce à des pièces polaires comprenant une succession de secteurs épais, espacés et répartis circonférentiellement pour définir dans la cavité une succession alternée de zones à entrefer large et de zones à entrefer étroit Cet agencement assure, sous certaines conditions, la focalisation verticale La puissance du faisceau extrait est définie par un rendement d'extraction qui dépend pour beaucoup des limites de dissipation thermique du canal électrostatique d'extraction précité et plus particulièrement d'une fine bande de cuivre de celui- ci, connue dans la technique sous le nom "septum". Cependant, de nombreux utilisateurs de cyclotron, notamment pour la production de certains radioisotopes, désirent obtenir un faisceau le plus puissant possible On a alors proposé de placer la cible à l'intérieur de la cavité accélératrice, sensiblement à la même distance du centre que le canal électro-statique d'extraction, ce dernier étant provisoirement retiré de la cavité Dans ce nouveau mode d'utilisation du cyclotron, la focalisation poussée du faisceau, nécessaire pour l'extraction, devient un inconvénient car la cible ne peut assurer une dissipation thermique pour une zone d'impact aussi localisée et risque donc d'être endommagée Par conséquent, la puissance du faisceau doit être limitée dans ce mode d'utilisation à cible interne et il n'est pas possible d'utiliser le cyclotron à sa puissance nominale de sorte que le gain de puissance est inférieur à ce qui pouvait être attendu d'une utilisation avec cible interne. -3 - L'invention vise à résoudre cet inconvient; son principe de base consiste à jouer localement sur la focalisation verticale précitée. Plus précisément, l'invention concerne donc un cyclotron com- prenant deux pièces polaires occupant les deux faces axiales d'une cavité accélératrice cylindrique et relativement plate, au centre de laquelle est placée une source de particules chargées et comportant des moyens de positionnement d'une cible à l'intérieur de la dite cavité, du type dans lequel lesdites pièces polaires comprennent une succession de secteurs épais espacés et régulièrement répartis circonférentiellement pour définir dans ladite cavité une succession alternée de zones à entrefer étroit et de zones à entrefer large pour assurer la focalisation dite verticale, caractérisé en ce qu'il com porte en outre un agencement de bobines allongées disposées circu- lairement au voisinage de la périphérie de ladite cavité et des moyens d'alimentation électrique de celles-ci, pour faire varier les conditions de focalisation verticale au voisinage d'un trajet circu- laire correspondant au positionnement radial de la cible précitée. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre de deux modes de réalisation possibles d'un cyclotron selon l'invention, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en réfé- rence au dessin annexé dans lequel: la figure 1 est une vue schématique en plan des parties essentielles d'un cyclotron selon l'invention; la figure 2 est une section IlIl de la figure 1; et la figure 3 est une vue analogue à la figure 2, illustrant une variante de l'invention. En se reportant aux figures 1 et 2, la partie principale du cyclotron Il comporte des moyens pour générer un puissant champ magnétique dans une cavité accélératrice 12 cylindrique et de forme relativement plate Ces moyens se composent d'une carcasse métal- lique externe (non représentée) et de deux bobines (non repré- sentées) alimentées en courant continu et situées au voisinage de deux pièces polaires 13, 14 espacées en regard l'une de l'autre pour 4 définir un entrefer Comme les deux pièces polaires occupent les deux faces axiales de la cavité 12 celle-ci coïncide avec l'entrefer. En fonctionnement, on fait le vide dans la cavité 12 En outre, cette dernière abrite des électrodes accélératrices, non repré- sentées pour plus de clarté dans le dessin mais dont la structure à deux plaques parallèles en forme de portion de disque et bien connue de l'homme du métier Comme mentionné précédemment, la source de particules 16 est placée au centre de la cavité 12 Lorsque 'on désire extraire le faisceau tangentiellement (voir trajectoire 18 sur la figure 1) on place un canal électro-statique d'extraction 19, courbe, à la partie périphérique de la cavité 12 Celui-ci est composé d'une électrode courbe 20 portée à une haute tension continue et d'une électrode parallèle 21 au potentiel de la masse. Cette électrode appelée "septum" doit être très efficacement refroidie par conduction au moyen de blocs de cuivre disposés en contact thermique avec elle L'ensemble est monté sur un support mobile radialement, schématisé par un vérin 22, pour pouvoir retirer le canal d'extraction de la cavité 12 et y placer une cible 23, à un autre endroit mais sensiblement à la même distance radiale par rapport à la source 16 Comme mentionné précédemment, la hauteur de l'entrefer n'est pas constante circonférentiellement, ceci est dû à la présence de quatre secteurs épais 24 sur chaque pièce polaire 13, 14, espacés et régulièrement répartis circonférentiellement pour définir dans la cavité 12 une succession alternée de zones à entrefer étroit 25 et de zones à entrefer large 26 Pour ce faire, les secteurs 24 appartenant respectivement aux pôles 13 et 14 sont disposés deux à deux en regard l'un de lautre de façon à -être exactement superposés dans la direction de l'axe de la cavité 12 Les particules chargées, en tournant dans le plan de la figure 1 rencontrent donc successivement des champs faibles (entrefer large) et forts (entrefer étroit) ce qui est la condition d'un bonne focalisation verticale De façon connue, les bords des secteurs sont spiralés et les particules tournent dans le sens des aiguilles d'une montre en regardant la figure 1, c'est-à-dire de façon à rencontrer un profil de transition concave entre deux zones 25 et 26 voisines. -5 - Selon un aspect essentiel de l'invention, le cyclotron comporte en outre un agencement de bobines allongées 28, 29 disposées circulairement au voisinage de la périphérie de la cavité 12 ainsi que des moyens d'alimentation électrique desdites bobines (non repré- sentés puisqu'il ne s'agit que d'une ou plusieurs sources de courant continu) pour faire varier les conditions de focalisation verticale au voisinage d'un trajet circulaire 30 correspondant au positionnement radial de la cible 23 Dans l'exemple, le trajet circulaire 30 est celui qui correspond aux rayons d'extraction (c'est-à-dire la distance radiale ou l'on place le canal électro-statique 19) lequel trajet est celui des particules effectuant leur dernier tour dans la cavité et ayant par conséquent atteint une énergie maximum Les bobines 28 sont disposées sur les secteurs 24, c'est-à-dire dans les zones à entrefer étroit et se font face deux à deux Par ailleurs, les bobines 29 sont disposées dans les zones à entrefer large et se font également face deux à deux Chaque bobine 28 et 29 est constituée de plusieurs spires étroites parallèles aux pièces polaires et ces spires sont courbées pour épouser au plus près le trajet circulaire 30. Chaque pièce polaire comporte une bobine 28 ou 29 par zone à entrefer étroit ou large, respectivement Les bobines 29 sont connectées aux moyens d'alimentation avec un sens tendant à renforcer le champ magnétique localement dans les zones à entrefer large tandis que les bobines 28 sont connectées aux moyens d'ali- mentation avec un sens tendant à diminuer le champ magnétique localement dans les zones à entrefer étroit. Le développement mathématique qui suit permet de mieux comprendre l'action de ce jeu de bobines sur la focalisation verticale du faisceau. L'effet de focalisation verticale obtenue par les pièces polaires définies ci-dessus s'exprime par un coefficient U z tel que: = N 2 l E-2 (l + tg 2 a) k uz représente le nombre de "noeuds" de focalisation du faisceau par tour (dans la pratique on recherche uz l 0,4, par exemple) et dans _ 6- la formule ci-dessus: N est le nombre de secteurs 24 (quatre dans l'exemple) at est un coefficient lié à la géométrie (spiralisation) des secteurs. k= RB d B, caractérise le gradient de focalisation horizontale, R étant le rayon d'une orbite considérée et B la valeur du champ magnétique au voisinage de ce rayon -E:2 2 22 = variation de champ magnétique sur une orbite donnée. Or, pour que la focalisation verticale soit effective, il faut que uz soit positif, une valeur de uz négative signifiant physiquement une défocalisation c'est-à-dire un élargissement du faisceau C'est précisément ce que réalise l'invention et ceci en réduisant l'écart- type r 2 puisqu'on ne peut modifier ni le nombre de secteurs, ni leur forme, ni la focalisation horizontale Cette défocalisation doit s'opérer pendant que les particules effectuent les quelques tours qui précédent le trajet circulaire 30 défini plus haut, c'est pourquoi les bobines 28 et 29 sont disposées pour venir sensiblement tangenter Pintérieur d'une surface cyclindrique fictive passant par ledit trajet circulaire 30. Dans la pratique, plusieurs types de branchement sont pos- sibles On peut par exemple faire en sorte que toutes les bobines soient reliées (par exemple en série) à une unique source d'alimen- tation électrique réglable, le sens d'enroulement des bobines 29 situées dans les zones à entrefer large étant inverse du sens d'enroulement des bobines 28 situées dans les zones à entrefer étroit Dans ce cas particulièrement (mais non exclusivement), le nombre d'ampère-tours des bobines 29 situées dans les zones à entrefer large est plus grand que le nombre d'ampère-tours des bobines 28 situées dans les zones à entrefer étroit puisque la correction de champ magnétique dans ces zones doit être effectuée sur une distance d'entrefer plus faible. On peut aussi prévoir que toutes les bobines 29 situées dans les zones à entrefer large soient reliées à une première source d'alimen- -7 - tation électrique réglable tandis que toutes les bobines 28 situées dans les zones à entrefer étroit soient reliées à une seconde source d'alimentation électrique réglable avec un sens de branchement inversé Cette variante fait appel à une alimentation supplémentaire mais est d'une utilisation plus souple dans la mesure o les correc- tions de champ dans les zones 25 et 26 peuvent être réglées indépendamment. La figure 3 illustre une variante dans laquelle les zones à entrefer large 26 sont munies de portions circulaires saillantes 32 (appelés "shims") réduisant localement Pentrefer au voisinage du trajet circulaire 30 et/o les zones à entrefer étroit sont pourvues de rainures 34 augmentant localement Pentrefer au voisinage de ce même trajet Dans ces conditions on a modifié les caractéristiques dimensionnelles des pièces pour placer le cyclotron à la limite inférieure d'une focalisation verticale correcte et il suffit d'inter- caler des moyens d'inversion de polarité entre les bobines 28, 29 et les moyens d'alimentation correspondants pour que les champs développés par lesdites bobines viennent, dans un cas, augmenter l'écart-type 22 et donc renforcer la focalisation pour permettre une extraction correcte du faisceau et, dans l'autre cas, diminuer ce même écart-type pour assurer la défocalisation verticale et per- mettre le fonctionnement avec cible interne Avec cette variante, la puissance électrique consommée par les bobines 28,-29 est environ la moitié de celle qui est nécessaire avec le mode de réalisation précédent En outre, les rainures 34 peuvent être mises à profit pour Ilintégration des bobines dans les zones à entrefer étroit o la place pour les loger est la plus restreinte. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réali- sation qui viennent d'être décrits, elle comprend tous les équivalents techniques des moyens mis en jeu si ceux-ci le sont dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1 Cyclotron comprenant deux pièces polaires ( 13, 14) occu- pant les deux faces axiales d'une cavité accélératrice ( 12) cylin- drique et de forme relativement plate au centre de laquelle est placée une source ( 16) de particules chargées et comportant des moyens de positionnement d'une cible ( 23) à l'intérieur de la cavité, du type dans lequel lesdites pièces polaires comprennent une suc- cession de secteur épais ( 24) espacés et régulièrement répartis circonférentiellement pour définir dans ladite cavité une succession alternée de zones à entrefer étroit ( 25) et de zones à entrefer large ( 26) pour assurer la focalisation verticale, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un agencement de bobines allongées ( 28, 29) disposées circulairement au voisinage de la périphérie de ladite cavité et des moyens d'alimentation électrique de celles-ci pour faire varier les conditions de focalisation verticale au voisinage d'un trajet circulaire ( 30) correspondant au positionnement radial de ladite cible ( 23). 2 Cyclotron selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque pièce polaire comporte une bobine ( 28 ou 29) par zone à entrefer étroit ou large. 3 Cyclotron selon la revendication 2, caractérisé en ce que les bobines ( 29) situées dans une zone à entrefer large ( 26) sont con- nectées aux moyens d'alimentation avec un sens tendant à renforcer le champ magnétique localement dans cette zone et en ce que les bobines ( 28) situées dans une zone à entrefer étroit ( 25) sont con- nectées auxdits moyens d'alimentation avec un sens tendant à diminuer localement le champ magnétique dans cette zone. 4 Cyclotron selon la revendication 3, caractérisé en ce que les bobines précitées sont toutes reliées à une unique source d'alimen- tation électrique réglable, le sens d'enroulement des bobines situées dans les zones à entrefer large étant inverse du sens d'enroulement des bobines situées dans les zones à entrefer étroit. 9 - Cyclotron selon la revendication 3, caractérisé en ce que toutes les bobines situées dans les zones à entrefer large sont reliées à une première source d'alimentation électrique réglable tandis que toutes les bobines situées dans les zones à entrefer étroit sont reliées à une seconde source d'alimentation électrique réglable. 6 Cyclotron selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que le nombre d'ampère-tours des bobines situées dans les zones à entrefer large ( 26) est plus grand que le nombre d'ampère- tours des bobines situées dans les zones à entrefer étroit ( 25). 7 Cyclotron selon l'une des revendications précédentes, carac- térisé en ce que lesdites zones à entrefer large ( 26) sont munies de portions circulaires saillantes ( 32) réduisant localement l'entrefer au voisinage du trajet circulaire ( 30) prècité et/o que lesdites zones à entrefer étroit ( 25) sont pourvues de rainures ( 34) augmentant loca- lement l'entrefer au voisinage du même trajet circulaire ( 30).