Brevet FR2553962A1 — publié le 19850426

DISPOSITIF MAGNETIQUE DE REGROUPEMENT L'invention concerne un dispositif magnétique de regroupement utilisé en aval d'un accélérateur de particules pour regrouper un ensemble de paquets de particules délivrés par l'accélé- rateur lors de rémission d'une impulsion et pour produire ainsi une impulsion de durée plus brève et d'intensité plus élevée. Un accélérateur de particules délivre des paquets de particules, toutes accélérées à une vitesse sensiblement égale à celle de la lumière, au rythme des oscillations d'un champ magnétique hyperfréquence régnant dans les cavités accélératrices de cet accélérateur. La succession des paquets de particules dans les cavités accélératrices a pour effet d'amortir l'intensité du champ hyperfréquence qui y règne . L'impulsion des paquets de particules émergeant de l'accélérateur est donc composée, pour les premiers paquets, de particules ayant rencontré un champ hyperfréquence non amorti et donc ces paquets ont une grande énergie. Mais pour les derniers paquets, ceux qui ont rencontré un champ hyperfréquence amorti, l'énergie est plus faible. Le problème que doit résoudre un dispositif de regroupement est de faire en sorte que les derniers paquets rattrapent les premiers. Dans une précédente demande de brevet déposée le 15 Décembre 1978 sous le nO 78 35 383 et émanant du même inventeur, la demanderesse a proposé un dispositif magnétique de regroupement dans lequel les paquets de particules subissent une déviation circulaire de leur trajectoire sous l'effet d'un champ magnétique. Les rayons de courbure des trajectoires de chacun des paquets sont proportionnels d'une part à l'intensité du champ magnétique et d'autre part à la quantité de mouvement de chacune des particules de ce paquet. Les particules à forte énergie des premiers paquets circulent sur une trajectoire plus grande que les particules des derniers paquets du fait de la différence des masses relativistes des particules des différents paquets.Dans un exemple, pour des paquets dont l'énergie des particules est comprise entre 50 MeV et 100 MeV, le rapport des masses relativistes, et donc le rapport des rayons de courbure, vaux deux. Pour un accélérateur oscillant à 3 GHz et délivrant une impulsion de 12 nanosecondes un facteur de compression de 6 a été obtenu expérimentalement. Un facteur de compression supérieur peut théoriquement être obtenu en linéarisant la courbe d'amortissement de Paccélérateur de telle manière que les énergies des particules de chacun des paquets soient distribués linéairement entre la valeur nominale (100 MeV) et la valeur minimum (50 MeV) en fonction du rang d'émission du paquet considéré. Le dispositif ainsi réalisé pèse plusieurs dizaines de tonnes. L'adaptation d'un tel dispositif a des durées d'impulsion supérieures (24 nanosecondes) conduirait à réaliser une structure dont le poids excéderait 300 tonnes et dont les dimensions seraient trop importantes. En effet, la structure évoquée est calculée de telle manière que la différence de longueur entre les trajectoires parcourues par les paquets de particules à haute énergie et celles parcourues par les paquets de particules à faible énergie est égale à la longueur de l'impulsion du jet de particules. Pour une impulsion de 12 nanosecondes, le rayon de la trajectoire des particules à plus haute énergie est de l'ordre de 1 mètre. Le dispositif précédent a donc un diamètre supérieur à 2 mètres puisque les particules y font un tour. Pour des durées d'impulsions plus longues, par exemple de 24 nanosecondes, on peut montrer que le poids de la structure à réaliser varie comme le cube du rapport des durées des impulsions. Le passage de 12 nanosecondes à 24 nanosecondes entraîne donc un rapport de deux et donc une multiplication par 8 du poids du dispositif précédent. L'invention a pour objet un dispositif magnétique de regroupement dont le poids et les dimensions sont voisines du poids et des dimensions du dispositif précédent, mais pouvant s'appliquer à des ordres de grandeur double en durée de l'impulsion (24 nanosecondes). Pour ce faire, dans le dispositif de l'invention, les paquets de particules suivent des trajectoires faisant deux boucles imbriquées l'une dans l'autre. La différence de longueur des trajectoires à doubles boucles pour les particules à haute énergie et pour les particules à faible énergie peut ainsi être doublée. L'invention concerne un dispositif magnétique de regroupement pour recevoir une impulsion d'un jet longitudinal incident de paquets de particules délivrées par un accélérateur de particules et pour délivrer une impulsion du même jet des paquets de particules dans laquelle les différents paquets sont regroupés longitudinalement, comportant, dans une structure cylindrique, une succession de quatre secteurs de champ cylindriques, adjacents, et dont les génératrices sont perpendiculaires à un plan passant par la trajectoire du jet incident et parallèles à un plan de symétrie de la structure, ledit plan de symétrie étant perpendiculaire à la trajectoire du jet incident, le premier secteur recevant le jet incident et délivrant le jet regroupé étant disposé à cheval sur le plan symétrie, le deuxième et le quatrième secteur étant symétriques l'un de l'autre par rapport au plan de symétrie et étant adjacents tous deux au premier secteur, et le troisième secteur étant à cheval sur le plan de symétrie et adjacent de part et d'autre de ce plan au deuxième et quatrième secteurs, ces quatre secteurs étant soumis par des moyens magnétiques à des inductions magnétiques, lesdites inductions étant orientées selon une même direction des génératrices et ayant respectivement dans l'ordre une première, une deuxième, une troisième et une deuxième valeur d'intensité, les surfaces séparant respectivement le premier secteur du deuxième et du quatrième secteurs étant des surfaces cylindriques circulaires, caractérisé en ce que chacun des axes de révolution de ces surfaces se trouvent par rapport au plan de symétrie du côté opposé à celui où se trouve chacune des ces surfaces. L'invention sera mieux comprise à a lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Sur ces figures les mêmes repères désignent les mêmes éléments. Ces figures représentent: - figure 1, la représentation spatiale d'une impulsion d'fun jet de particules; - figure 2, un diagramme général d'utilisation du dispositif de l'invention; - figure 3, un rappel d'une structure simplifiée conforme à la précédente demande de brevet; - figures 4 a à 4 e, une illustration du mode de calcul de la structure de l'invention; - figures 5 a à 5 c, des particularités mécaniques de la structure magnétique de l'invention. La figure 1 montre la représentation spatiale d'une impulsion 1 d'un jet 2 de paquets 3 de particules. Les paquets de particules sont espacés d'une période t correspondant à la fréquence du champ hyperfréquence régnant dans les cavités accélératrices. La durée de l'impulsion est T et correspond à une longueur L telle que L égale T x c, c étant la vitesse de la lumière puisque tous les paquets de particules se déplacent sensiblement à la vitesse de la lumière. La figure 2 montre en coupe le dispositif de l'invention dans lequel un dispositif magnétique de regroupement 4 reçoit l'impulsion 1 du jet incident 2 émanant d'un accélérateur 5. Le dispositif 4 restitue Pimpulsion 1 sous la forme d'une impulsion 14 dont la longueur est comprimée. Dans une application, l'impulsion 14 vient percuter une cible 6 pour émettre un rayonnement radioactif 7. La structure du dispositif 4 est cylindrique et comporte quatre secteurs de champ adjacents les uns aux autres et numérotés 8 à Il. Ils permettent le passage, selon des trajectoires telles que 12, des paquets de particules. Les génératrices de ces secteurs, orientées parallèlement à un axe Z'Z, sont perpendiculaires au plan de coupe de la figure passant par la trajectoire du jet incident 2. Les génératrices des secteurs cylindriques sont parallèles à un plan 13 de symétrie de la structure 4. Le plan 13 est perpendiculaire au jet incident 2. Le premier secteur 8 reçoit le jet incident 2 et délivre en aval le jet regroupé 24. I1 est à cheval sur le plan de symétrie 13, c'est-à-dire que ses formes sont symétriques par rapport à ce plan. Le deuxième secteur 9 et le quatrième secteur Il sont adjacents au premier secteur 8 et sont symétriques l'un de vautre par rapport au plan 13. Le troisième secteur 10 est également à cheval sur le plan 13, c'est-à-dire que ses formes sont symétriques par rapport à ce plan. Ces quatre secteurs sont soumis à des inductions magnétiques d'intensité, respectivement et dans l'ordre, H1, H2, H3 et H2. Dans un exemple, les moyens magnétiques permettant d'appliquer ces champs comportent des paires de pôles magnétiques dont les secteurs considérés constituent 'les entrefers. Les détails mécaniques de ces paires de pôles seront vus ultérieurement. Les surfaces séparant le premier secteur 8 du deuxième secteur 9 et du troisième secteur 1 1 sont des surfaces cylindriques circulaires matérialisées dans le plan de coupe par les contours respectivement 15 et 16. Ce qui caractérise l'invention c'est que les axes de révolution, respectivement 17 et 18, de ces deux surfaces se trouvent du côté opposé à celui où se trouve la surface considérée par rapport au plan de symétrie 13 de la structure. Sur la figure 3 a été rappelée la figure 3 de la demande de brevet précédente qui représentait en coupe le contour de la surface séparant le premier secteur des deuxième et quatrième secteurs. Dans le dispositif qui correspondait à cette demande, un paquet de particules 3 d'énergie q décrit une trajectoire Q en forme de boucle unique dont les rayons de courbure sont dépendants de l'énergie q avant de resortir du dispositif. Le troisième secteur n'a pas été représenté pour simplifier l'explication. Les particularités de réalisation de cette solution sont telles, que pour pouvoir fonctionner, les axes de révolution 19 et 20 des surfaces séparant respectivement le premier secteur du deuxième secteur et le premier secteur du quatrième secteur et représentés par les contours 21 et 22 doivent être placés du même côté que ces surfaces par rapport au plan de symétrie 23 de la structure en question.Dans ces conditions, il était possible de réaliser une structure simple dans laquelle la trajectoire Q tourne d'un angle A1 autour d'un point Q1, puis d'un angle A2 autour d'un point 2 et enfin d'un angle A3 autour d'un point 03. La figure 4a met en évidence l'idée de l'invention qui consiste à imposer aux particules d'énergie 2 d'un paquet 3 de particules, une trajectoire P faisant une double boucle. Ceci peut être obtenu en imposant alors à cette trajectoire P de suivre des segments circulaires, d'ouvertures successives B1 à B5, et centrées respectivement successivement sur les points P1 à P5. Ceci n'est possible que par la disposition particulière des contours 15 et 16 évoqués.Cependant, comme dans le cas précédent cette structure sans troisième secteur de raccordement n'est pas satisfaisante pour permettre la sortie selon un jet unique 24, de tous les paquets de particules dont l'énergie est différente de p. Dans un premier temps, on va donc montrer comment calculer la forme d'un secteur de raccordement 10 qui satisferait à cette condition. Dans un deuxième temps le dimensionnement du dispositif de l'invention ,relatif à des impulsions données, peut être fait en calculant la différence de longueur des trajectoires suivies par les particules d'énergie nominale et par les particules d'énergie minimum pour que cette difference soit égale à la longueur L de l'impulsion avant son regroupement. Sur la figure 4 b une particule 3 d'énergie 2 soumise dans le premier secteur 8 à un champ d'intensité H1 décrit une trajectoire circulaire centrée en C1. C1 se trouve à l'intersection de la normale à la trajectoire du jet incident 2 en To, où le jet pénêtre dans le secteur 8, avec la tangente en T1 au contour 15 centré sur l'axe 17. Le rayon R égal à Cl-To et à Cl-Tl dépend linéairement de H1 et de 2 C'est parce que le jet incident 2 est aligné avec le centre 17 et que le contour 15 se prolonge jusqu'en To, que la trajectoire P est perpendiculaire au contour 15 en T1. Dans le deuxième secteur 9 règne un champ d'intensité H2 qui dans un exemple est égal au double de l'intensité H1. Ce rapport deux n'est nullement une nécessité mais il facilite grandement la construction géométrique.Il en résulte en particulier que dans le secteur 9 la trajectoire P décrit une portion de cercle centrée en C2 qui est le milieu exact de C1- T1. Si le troisième et le quatrième secteur étaient absents, cette trajectoire se continuerait -jusqu'en T4 où elle intercepterait le contour 16. On remarque que cette trajectoire coupe le plan de symétrie 13 en un point C5. En menant la droite qui relie C5 à T4, on peut déterminer son milieu C4 confondu au voisin de C2 selon l'emplacement du contour 16. A l'aide de la figure 4 c, et de la figure 4 d qui est une vue agrandie de la figure 4 c, on va déterminer la position d'un point C3 sur lequel sera centrée la trajectoire P en traversant le troisième secteur. Sachant qu'il règne un champ d'intensité H3 dans ce troisième secteur, il est possible de tracer un segment C5-C3 passant par le milieu de C2-C4 et tel que le rapport C5-C3/C5-C2 est égal au rapport H2/H3. Dans un exemple préféré H3 vaut environ 80 % de H2, ce qui signifie que C5-C3 vaut environ 25 % de plus que C5-C2. Le prolongement du segment C3-C2 coupe la trajectoire P en T2 qui correspond à l'intersection de la trajectoire P avec la surface séparant le deuxième secteur 9 et le troisième secteur- 10. En traçant un segment circulaire de rayon C3-T2, centré en C3, on obtient un point T3 à l'intersection de ce segment circulaire avec le prolongement du segment C3-C4. Le point T3 correspond à l'intersection de la trajectoire P avec la surface séparant le troisième secteur 10 et le quatrième secteur 11. Dans le quatrième secteur, la trajectoire P tourne autour du point C4 puisque celui-ci est aligné sur C3 T3 et que le rapport des rayons C3-T3/C4-T3 est dans le rapport H2/H3. On constate avec le tracé, et on peut montrer par calcul, que la nouvelle détermination du point T4 qui résulte du segment circulaire centré sur C4 est très peu différente du point T4 précédent. Pour plus de précision de cette détermination des points C3, C4 et T3, on peut procéder à une itérration de cette construction à partir de la nouvelle détermination de T4. On détermine d'une manière similaire mais pour une particule d'énergie p' les points d'intersection T'2 et T'3 d'une trajectoire P' avec les surfaces séparant respectivement ie deuxième et le troisième secteur et le troisième et le quatrième secteur. En procédant ainsi pour toutes les valeurs d'énergie des particules, on détermine les contours 25 et 26 du profil des surfaces séparant les deuxième, troisième et quatrième secteurs. Dans une première approximation, les contours 25 et 26 sont droits et forment entre eux un angle M. La valeur de cet angle M est essentiellement liée au rapport des intensités H2/H3. Plus H3 est faible devant H2 plus M est petit et inversement. Le choix de H3 proche de H2 (0,8 H2 plutôt que 0,5 H2) permet d'avoir un troisième secteur d'ouverture M plus grande donc d'avoir une tolérance relative plus large sur le calcul des contours 25 et 26. Sur la figure 4 e, en résumé, la trajectoire P est tracée en entier. La succession des centres des segments circulaires de la trajectoire P : C1, C2, C3, C4 correspondant aux passages de surface T1, T2, T3, et T4 séparant les secteurs est suivie, après un segment circulaire T4-T5 centré en C5, par une succession de centre C6, C7, C8, C9 symétriques des quatre premiers par rapport au plan 13. En conséquence, les intersections T5 à Tg sont symétriques respectivement des intersections T4 à T,. De par la construction même du troisième secteur de raccordement 10, les paquets de particules entrant tous en Tg ressortent tous en Tg. La valeur du rayon R et l'intensité du champ nominal H2 sont calculées pour que la différence des longueurs des trajectoires soit égale à la longueur spatiale de Impulsion du jet incident. En simplifiant beaucoup le calcul, on peut admettre que la longueur de la trajectoire P est égale au double de la circonférence de l'un des grands cercles de rayons R/2. Pour une énergie Pn nominale la longueur de la trajectoire P est proportionnel à: Rn Pn=2xkx2 x n n 2 où k est un coefficient d'approximation connu. Or R n est proportionnel à la quantité de mouvement de la particule considérée et est inversement proportionnel à l'intensité du champ H2.Comme toutes les particules de l'impulsion se déplacent à une vitesse sensiblement égale à celle de la lumière, les quantités de mouvement sont proportionnelles aux énergies des particules. Il en résulte que la longueur de la trajectoire Pn peut s'écrire: l Pn Pn = 2 x h x 2#xc H2 où ti est un coefficient d'approximation connu. En posant une équation similaire relative à Pu et à pm, respectivement longueur de la trajectoire et énergie, d'une particule d'énergie minimum de l'impulsion, on obtient un système de deux équations à trois inconnues. La première de ces trois inconnues est l'intensité H2 et les deux autres sont P n et Pm.En posant Pn ~ Pm = L on impose que la n m différence des longueurs Pn - Pm corresponde à la longueur L de l'impulsion que l'on veut comprimer. On sait résoudre un tel système d'équation. Connaissant l'énergie nominale des particules auxquels on destine ce dispositif, il est donc possible de calculer la trajectoire nominale et donc de calculer la dimension minimale de la structure 4 qui résoud le problème. Compte tenu de la valeur du champ H2 trouvé précédemment et du choix théorique des champs H1 et H3, le choix du rayon de courbure des contours 15 et 16 peut être obtenu expérimentalement par construction géométrique à l'aide de la règle et du compas. Le choix de ces rayons est déterminé par compromis entre d'une part la facilité pour ces trajectoires d'entrer et de sortir de la structure (cette facilité est d'autant plus grande que ces rayons sont grands), et d'autre part par la taille de cette structure (cette structure "s'allonge" entre l'entrée et la sortie quand ces rayons deviennent grands). D'une manière typique l'angle T0 C1 T1 (figure 4 b) vaut 300. Les figures 5 a à 5 c montrent des particularités de la réalisation mécanique des secteurs de champ 8 à 11 dans lesquels passent les trajectoires P. La figure 5 a est une coupe selon un plan horizontal passant par l'axe X'X de la figure 2. En tous points de l'entrefer composé des secteurs 9 et Il règne un champ d'intensité H2 orienté de Z' vers Z . Ce champ H2 est entretenu par un jeu de bobines W1, W2 parcourues par un courant électrique continu et entourant la structure 4 parallèlement au plan X'X/Y'Y . Dans un exemple la largeur de cet entrefer vaut 6 cm. Cet entrefer est maintenu entre les plaques magnétiques 29 à 32. La figure 5 b montre la structure 4 dans une coupe passant par le plan de symétrie 13. Dans l'entrefer correspondant au secteur 8 règne un champ H1 et dans l'entrefer correspodant au secteur 10 règne un champ H3, également orientés de Z' vers Z. Les hauteurs des entrefers présentés par les secteurs 8 et 10 sont sensiblement plus grandes que la hauteur de l'entrefer des secteurs 9 et 11. De ce fait ces entrefers présentent une perméabilité moindre au passage du champ magnétique. Celle-ci est réduite dans les rapports des dimensions de ces entrefers. Ainsi dans l'exemple décrit l'entrefer du secteur 8 a une hauteur double de celle du secteur 9, et l'entrefer du secteur 10 est de 25 % plus grand que celui du secteur 9.Du côté de Y', et donc du secteur 8, les bobines W1 et W2 sont espacées l'une de l'autre pour former une ouverture 27 visible par ailleurs sur la figure 5 c apte à laisser entrer le jet incident 2 et à laisser sortir le jet 24 comportant les paquets regroupés. Ces dispositions sont comparables à celles de la précédente demande de brevet. De ce même côté Y', un jeu de plaques magnétiques M1 et M2 sont disposées en surépaisseur sur les pièces polaires pour éviter leur saturation dans cette zone. Enfin, unie plaque 28 est posée de façon étanche en regard de l'ouverture 27 pour maintenir le vide dans les entrefers. II convient de remarquer que les sculptures apparentes des entrefers 8 à 1 1 et donc des pièces polaires ne correspondent pas exactement aux forme des secteurs de champ étudiées jusqu'à présent compte tenu des champs de débordement. En effet, dans le plan X'X-Y'Y, à l'endoit des transitions de champs et donc des surfaces délimitant les secteurs de champ, les variations d'épaisseur de l'entrefer provoquent des effets de bord. En conséquence, les surfaces de séparation des secteurs de champ sont décalées par rapport au lieu de variation des entrefers. Ainsi en revenant à la figure 4 e, les dessins des contours 25 et 26 correspondent à des contours respectivement 25' et 26' de transition des entrefers entre les pièces polaires. Une modification similaire est faite bien entendu pour les contours 15 et 16. A cet endroit les contours de transition restent cependant centrés respectivement en 17 et 18 mais la valeur du rayon est augmenté en correspondance des variations d'entrefers des secteurs adjacents. REVENDICATIONS 1. Dispositif (4) magnétique de regroupement pour recevoir une impulsion (1) d'un jet (2) longitudinal incident de paquets (3) de particules délivrées par un accélérateur (5) de particules et pour délivrer une impulsion (14) du même jet de paquets de particules dans laquelle les différents paquets sont regroupés longitudinalement, comportant, dans une structure (4) cylindrique, une succession (8-11) de quatre secteurs de champ cylindriques adjacents, et dont les génératrices sont perpendiculaires à un plan (XX' YY') passant par la trajectoire du jet incident et parallèles à un plan (13) de symétrie de la structure ledit plan de symétrie étant perpendiculaire à la trajectoire du jet incident, le premier (8) secteur recevant le jet incident et délivrant le jet regroupé étant disposé à cheval sur le plan de symétrie, le deuxième (9) et le quatrième (11) secteur étant symétriques l'un de l'autre par rapport au plan de symétrie et étant adjacents tous deux au premier secteur, et le troisième (10) secteur étant à cheval sur le plan de symétrie et adjacent de part et d'autre de ce plan au deuxième et quatrième secteur, ces quatre secteurs étant soumis par des moyens (29-32, Wl, W2)magnétiques à des inductions magnétiques lesdites inductions étant orientées selon une même direction des génératrices et ayant respectivement dans l'ordre une première (H1) et une deuxième (H2) une troisième (H3)et une deuxième (H2) valeur d'intensité les surfaces (15, 16) séparant respectivement le premier secteur du deuxième secteur et du quatrième ~ secteur étant des surfaces cylindriques circulaires, caractérisé en ce que chacun des axes (17, 18) de révolution de ces surfaces se trouvent par rapport au plan de symétrie du côté opposé à celui où se trouve chacune de ces surfaces. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première et la troisième intensité de l'induction magnétique sont égales entre elles et égales à la moitié de l'intensité de la deuxième induction.