Brevet FR3124272A1 — publié le 20221223

Dispositif de mesure du champ magnétique et procédé de mise en œuvre Dispositif (1) de mesure du champ magnétique, notamment au voisinage du plan médian d’un accélérateur de particules, en particulier du type cyclotron ou synchrocyclotron, comportant : Un support amagnétique, un porte-sondes (30) amagnétique monté rotatif relativement au support, au moins deux sondes à effet Hall (31, 32, 33, 34) fixées sur le porte-sonde respectivement dans ses parties inférieure et supérieure lorsque l’axe de rotation (Y) du porte-sondes est orienté verticalement, un système hydraulique amagnétique porté par le support, permettant d’entraîner en rotation le porte-sonde sur une course angulaire d’au moins 180°. Figure pour l’abrégé : Fig.1 Dispositif de mesure du champ magnétique et procédé de mise en œuvre La présente invention concerne les dispositifs de mesure d’un champ magnétique, et plus particulièrement mais non exclusivement ceux destiné à la mesure du champ magnétique au voisinage du plan médian magnétique d’un accélérateur de particules afin de déterminer avec précision la position de ce plan. La géométrie des pôles et des bobines d’un électro-aimant d’un accélérateur à champ magnétique statique, par exemple de type cyclotron isochrone à secteurs, synchrocyclotron ou à champ fixe et gradient alterné (« Fixed Field Alternating Gradient » ou « FFAG »), possède une symétrie par rapport à un plan le plus souvent horizontal. L’accélération du faisceau de particules se déroule au voisinage très proche (dans un espace de l’ordre du centimètre) de ce plan. Il est donc très important que le plan de symétrie “mécanique” soit le plus proche possible du plan de symétrie “magnétique” au voisinage duquel les particules accélérées effectueront des oscillations verticales stables. Ce plan de symétrie magnétique s’appelle le plan médian. La détermination des défauts de plan médian, i.e. des écarts par rapport au plan de symétrie mécanique, et les corrections qu’elle impose, revêtent donc une importance tout à fait essentielle pour les performances de l’accélérateur. En effet les défauts de plan médian dans les zones où sont présentes des résonances couplées des oscillations verticales et horizontales (dites bétatroniques) peuvent conduire à des pertes de faisceau généralement verticales. Ces défauts de plan médian peuvent être d’origines diverses : défaut de symétrie mécanique des pièces polaires (de construction ou de positionnement), défaut de concentricité des bobines circulaires d’excitation, défauts dus aux éléments passifs (canaux en fer) du système d’extraction, …. Ces défauts détériorent les rendements de ces accélérateurs, ce qui conduit à des pertes de faisceau qui génèrent des niveaux de radioactivité élevés de la plupart des équipements internes, rendant ensuite certaines opérations de maintenance délicates. Ce contrôle du bon positionnement du plan médian est ainsi particulièrement important pour les trois familles de cyclotron suivantes : Les synchrocyclotrons , pour lesquels le contrôle du plan médian est une tâche ardue pour ces accélérateurs à focalisation magnétique faible, particulièrement pour les synchrocyclotrons supraconducteurs tels que ceux connus sous la dénomination S2C2 TM de la société déposante ; Les cyclotrons isochrones compacts , dans lesquels un grand nombre de tours est nécessaire pour atteindre le rayon d’extraction du faisceau ; Les cyclotrons isochrones à aimants séparés, et plus particulièrement les cyclotrons accélérant des faisceaux de très forte intensité destinés à des applications industrielles tels que les cyclotrons connus sous la dénomination S2CD TM de la société déposante. Il a été développé dans le passé un dispositif de mesure dit « Russian Pendulum » pour mesurer les composantes horizontales du champ magnétique au voisinage du plan médian, en présence du champ magnétique vertical qui est de plusieurs ordres de grandeur supérieur. Ce dispositif connu comporte une plaque d’aluminium lestée par un poids en plomb à sa base, suspendue par des fils de Nylon à un support, et portant deux sondes à effet Hall espacées verticalement l’une de l’autre. Une première mesure du champ horizontal est effectuée avec ce dispositif, puis une deuxième après avoir tourné le support de 180°, ce qui permet de compenser les défauts d’alignement éventuels des sondes. Les sondes sont écartées de 4cm dans le sens vertical et la position du plan médian peut être calculée par interpolation. La description de ce dispositif est reprise de la publication « Measurement and shimming of the improved CERN synchro-cyclotron magnet » E. Braunersreuther et al. Proceedings of the 7th International Conference on Cyclotrons and their Applications, Zürich, Switzerland. Un tel dispositif n’offre toutefois pas entière satisfaction, notamment en requérant une intervention manuelle sur le support pour modifier son orientation. De plus, un tel dispositif ne permet pas d’obtenir facilement une précision de mesure aussi élevée que souhaitable. L’invention vise à perfectionner encore les dispositifs de mesure du champ magnétique au voisinage du plan médian, afin notamment de remédier aux inconvénients mentionnés plus haut. L’invention a ainsi pour objet un dispositif de mesure du champ magnétique, notamment au voisinage du plan médian d’un accélérateur de particules, en particulier du type cyclotron ou synchrocyclotron, comportant : Un support amagnétique, un porte-sondes amagnétique monté rotatif relativement au support, au moins deux sondes à effet Hall fixées sur le porte-sonde respectivement dans ses parties inférieure et supérieure lorsque l’axe de rotation du porte-sondes est orienté verticalement, un système hydraulique amagnétique porté par le support, permettant d’entraîner en rotation le porte-sondes sur une course angulaire d’au moins 180°. L’invention apporte une simplification à la mesure du champ magnétique, notamment dans les accélérateurs de particules où règne un champ magnétique vertical intense et où l’on cherche à mesurer des composantes horizontales de faible amplitude du champ magnétique au voisinage du plan médian. Le système hydraulique permet d’éviter l’emploi d’une motorisation électrique incompatible avec la présence du champ vertical intense. De plus, ce système hydraulique facilite la commande à distance du dispositif, ce qui est un avantage en présence de radiations. Dans des exemples de réalisation, le support est allongé selon un axe longitudinal, et le porte-sonde est mobile autour d’un axe de rotation orthogonal à cet axe longitudinal. Le système hydraulique comporte avantageusement un vérin orienté selon l’axe longitudinal du support. Le dispositif peut comporter deux roues dentées tournant autour d’axes parallèles, et une courroie crantée reliant les deux roues, cette courroie étant entraînée par le vérin, l’une des roues tournant avec le porte-sondes. Un tel mécanisme présente un encombrement réduit dans le sens vertical, tout en permettant de contrôler la course en rotation du porte-sondes avec une bonne précision, puisque celle-ci est directement liée au déplacement d’une tige du vérin, couplée à la courroie. Le dispositif peut comporter au moins une butée fixe de fin de course configurée pour interagir avec au moins une butée tournant avec le porte-sondes, afin de définir précisément la course maximale en rotation du porte-sondes relativement au support. De préférence, le vérin hydraulique est alimenté avec de l’eau, ce qui permet une mise en œuvre rapide du dispositif. Le vérin est de préférence à double effet, et présente deux chambres disposées de part et d’autre d’un piston, ces chambres étant reliées à des conduits souples d’arrivée/départ de fluide. Le support, le vérin, le porte-sondes et plus généralement tous les composants du dispositif sont amagnétiques, pouvant être réalisés en cuivre, aluminium, laiton et autres matériaux adaptés. De préférence, le porte-sondes est muni de quatre sondes disposées à des hauteurs différentes le long du porte-sondes, notamment deux en partie supérieure et deux en partie inférieure, ce qui permet des mesures des composantes horizontales du champ à deux altitudes différentes, de chaque côté du plan médian, et par interpolation de localiser précisément celui-ci. Lorsque la hauteur disponible pour effectuer la mesure est plus limitée, le porte-sondes peut être plus court et ne porter que deux sondes, situées de part et d’autre du plan médian au moment de la mesure. L’invention a encore pour objet un procédé de mesure de champ magnétique, notamment au voisinage du plan médian, à l’aide du dispositif selon l’invention, comportant les étapes consistant à effectuer une première mesure du champ à l’aide des sondes portées par le porte-sondes, pour une orientation angulaire donnée de celui-ci autour de son axe de rotation, puis à effectuer une rotation de 180° du porte-sondes, et à effectuer une nouvelle mesure. Chaque position peut être définie par la venue en contact des butées précitées. En variante, l’une au moins des positions correspond à un déplacement axial prédéfini du vérin, entre les positions extrêmes définies par les butées. Le déplacement axial peut être déterminé à partir du volume de fluide injecté dans le vérin. On peut notamment mesurer B r à 0° et 180°et B q à 90° et 270°. L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’un exemple de mise en œuvre non limitatif de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel : la représente de manière schématique et partielle, en perspective, un exemple de dispositif de mesure selon l’invention, la est une vue de dessus du dispositif de la , la est une vue de côté, partielle, du porte-sondes, dans une orientation à 0°, la est une vue analogue à la après rotation du porte-sondes pour atteindre une orientation à 180°, la est un vue analogue à la après rotation du porte-sondes pour atteindre une orientation à 270°, la est un vue analogue à la après rotation du porte-sondes pour atteindre une orientation à 90°, et la illustre la mesure de l’erreur de positionnement du plan médian. Les figures 1 et 2 représentent un exemple de dispositif 1 selon l’invention, dans une version à quatre sondes à effet Hall, dont deux sondes de Hall destinées à se trouver au-dessus du plan médian et deux autres destinées à se situer en dessous, ce dispositif convenant notamment à des entrefers au moins égaux à 60 mm. Le dispositif 1 comporte un support 10 amagnétique, de forme générale allongée selon un axe longitudinal X. Le support 10 porte un vérin hydraulique 20, relié à des conduites d’arrivée et de sortie de fluide 51 et 52, visibles sur la . Ce fluide est de préférence de l’eau. Le vérin 20 comporte une tige 21 dont la position axiale selon l’axe X peut ainsi être contrôlée en injectant ou en prélevant un volume de fluide adéquat dans la ou les chambres du vérin. Un porte-sondes 30 est monté rotatif sur le support 10 autour d’un axe de rotation Y qui est perpendiculaire à l’axe X et qui est généralement orienté verticalement lors de la mesure du champ magnétique, le plan médian magnétique étant le plus souvent orienté horizontalement. Ce porte-sondes s’étend entre des platines supérieure 72 et inférieure 73 du support 10, reliées par une colonne 74 du support 10, comme visible sur la . Le porte-sondes tourne avec une première roue dentée 41. Une deuxième roue dentée 42 est montée rotative au-dessus du corps 22 du vérin 20. Une courroie 43 relie les roues dentées 41 et 42. La tige 21 porte une mâchoire 24 qui enserre la courroie 43, de telle sorte qu’un déplacement axial de la tige 21 s’accompagne d’un déplacement de la courroie et d’une rotation des roues 41 et 42. Ainsi, en contrôlant la position de la tige 21, on peut commander précisément la rotation du porte-sondes 30. La courroie 43 s’étend en retrait du bord de la platine supérieure 72, ce qui assure sa protection. Un guide fixe 27 s’étend parallèlement à l’axe X au-dessus de la tige 21 et contribue au guidage de la mâchoire 24 lorsque la tige 21 se déplace, la mâchoire 24 étant pourvue d’un palier glissant sur le guide 27. Une pièce 28 présentant des butées 29 est portée par le support 10. La roue dentée 41 porte des butées 46 correspondantes, de manière à définir les positions de fin de course en rotation du porte-sondes 30. Ce dernier porte quatre sondes à effet Hall 31 à 34, qui sont espacées verticalement sur la hauteur du porte-sondes, étant par exemple disposées avec un pas de 5mm dans le sens vertical. La position du porte-sondes 30 au sein du dispositif 1 est choisie de telle sorte que le plan médian magnétique se situe sensiblement à mi-hauteur du porte-sondes 30, avec deux sondes 31, 32 au-dessus et deux autres 33, 34 en dessous. Une vitrage de protection 70 amovible, ayant en section une forme de U peut s’étendre autour du porte-sondes, entre les platines 72 et 73, le long de la colonne 74. Ce vitrage permet de protéger les sondes et les conducteurs électriques souples qui leur sont raccordés. Un passage 77 est creusé dans la partie longitudinale du support et la colonne 74 pour le passage des conducteurs électriques (non représentés) reliés aux sondes 31 à 34. Le dispositif selon l’invention permet la mesure des composantes B r et B θ de l’induction du champ magnétique dans le voisinage du plan médian. L’induction dans le plan médian (supposé horizontal) est caractérisée par des composantes horizontales strictement nulles et donc une composante purement verticale B z . La mesure de cette composante B z dans ce plan médian de référence à z=0 s’effectue généralement en coordonnées polaires (r,q) avec une précision relative requise pour cette cartographie qui est de l’ordre de 10 -4 . Les pas Dr et Dq permettent de calculer en un point r,q donné les gradients radiaux et azimuthaux . A proximité du plan médian apparaissent des composantes horizontales B r et B q en général très faibles, de l’ordre de quelques 10 - 3 de la composante verticale B z . Les expressions suivantes donnent les développements limités au troisième ordre en z du champ au voisinage du plan médian en fonction des dérivées partielles de B z en r et en q évaluées dans le plan médian à z=0: De ces expressions on voit que l’on peut déterminer le défaut de plan médian en un point, en mesurant à des distances z de ce point les faibles composantes radiales B r et B q , avec les sondes de Hall, lesquelles sont calibrées et étalonnées pour des faibles valeurs de champ magnétique, et en éliminant les erreurs de positionnement des sondes. La position du plan médian se déduit alors de l’expression de B r ou B θ limitée au premier ordre en z. où de même où Par exemple pour la mesure de B r , l’erreur absolue de mesure Dz est alors donnée par, si G r est le gradient radial : où DB r- θ est l’erreur absolue sur la mesure de B r ou B θ et DG r- θ /G r- θ est l’erreur relative sur le gradient radial ou azimutal. L’erreur de mesure vient essentiellement de la mesure absolue de B r- θ avec la sonde de Hall tandis que la mesure des gradients G r- θ de B z est connue avec une bonne précision relative. Les composantes radiales ou azimutales de sont mesurées par les sondes de Hall 31 à 34. On considère ci-après, en référence à la , l’exemple de la mesure de l’erreur de plan médian à partir de la mesure de la composante B r . Si a est l’erreur de position angulaire par rapport à la verticale pour la position 0° où l’on mesure le champ B 0 (a), en tournant le porte-sondes 30 de 180° on mesure un champ B 180 (-a). Par ailleurs si y est l’angle par rapport à la verticale de la direction de à la distance z du plan médian, les valeurs des composantes lues à 0° et 180° (soit B 0 et B 180 ) sont les suivantes : B 0 = B sin (y + a) et B 180 = B sin (y - a) La composante radiale est B r =B sin(y) et la composante verticale B z = B cos(y).En considérant que l’erreur a est faible (cette erreur est pour l’essentiel liée à la fixation des sondes 31 à 34 qui s’effectue par collage sur le porte-sondes 30), des mesures B 0 et B 180 et de la composante B z , on déduit la composante B r : B r =(B 0 +B 180 )/2 (1-e) avec e=(B 0 - B 180 ) 2 /(8 B z 2 ) L’interpolation linéaire de B r permet de situer le plan médian magnétique. Les composantes B r et B θ changent de signe en traversant le plan médian. On aura donc plusieurs valeurs de z qu’on lissera pour trouver le point z=0. Le dispositif permet de réaliser des mesures non seulement de la composante radiale B r mais également de la composante B q pour les cyclotrons ayant une structure magnétique périodique. En effectuant des rotations contrôlées du porte-sondes 30 telles qu’illustrées sur les figures 3 à 6, on peut effectuer une série de mesures qui permettent de connaître B r à 0° et 180°et B q à 90° et 270°. Bien entendu l’invention n’est pas limitée à l’exemple illustré. Par exemple, dans une variante convenant à des entrefers inférieurs à 60mm, le porte-sondes est plus court et ne porte que deux sondes au lieu de quatre. Dispositif (1) de mesure du champ magnétique, notamment au voisinage du plan médian d’un accélérateur de particules, en particulier du type cyclotron ou synchrocyclotron, comportant : Un support (10) amagnétique, un porte-sondes (30) amagnétique monté rotatif relativement au support (10), au moins deux sondes à effet Hall (31, 32, 33, 34) fixées sur le porte-sondes (30) respectivement dans ses parties inférieure et supérieure lorsque l’axe de rotation (Y) du porte-sondes est orienté verticalement, un système hydraulique (20) amagnétique porté par le support (10), permettant d’entraîner en rotation le porte-sonde sur une course angulaire d’au moins 180°. Dispositif selon la revendication 1, le support (10) étant allongé selon un axe longitudinal (X), et l’axe de rotation (Y) du porte-sondes étant orthogonal à cet axe longitudinal. Dispositif selon l’une des revendications 1 et 2, le support étant allongé selon un axe longitudinal (X), le système hydraulique (20) comportant un vérin orienté selon l’axe longitudinal du support. Dispositif selon la revendication 3, comportant deux roues dentées (41, 42) tournant autour d’axes parallèles, et une courroie crantée (43) reliant les deux roues, cette courroie étant entraînée par le vérin, l’une (41) des roues tournant avec le porte-sondes (30). Dispositif selon la revendication 4, comportant au moins une butée fixe (29) de fin de course agencée pour interagir avec au moins une butée (46) tournant avec le porte-sondes (30), pour définir la course maximale en rotation du porte-sondes relativement au support. Dispositif selon l’une des revendications 3 à 5, le vérin hydraulique étant alimenté avec de l’eau. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 3 à 6, le vérin étant à double effet, et présentant deux chambres disposées de part et d’autre d’un piston, ces chambres étant reliées à des conduits souples (51, 52) d’arrivée/départ de fluide. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, le porte-sondes (30) étant muni de quatre sondes (31, 32, 33, 34) disposées à des hauteurs différentes le long du porte-sondes, notamment deux en partie supérieure et deux en partie inférieure. Procédé de mesure de champ magnétique, notamment au voisinage du plan médian, à l’aide du dispositif selon l’’une quelconque des revendications 1 à 8, comportant les étapes consistant à effectuer une première mesure du champ à l’aide des sondes (31, 32, 33, 34) portées par le porte-sondes, pour une orientation angulaire donnée de celui-ci autour de son axe de rotation, puis à effectuer une rotation de 180° du porte-sondes, et à effectuer une nouvelle mesure. Procédé selon la revendication 9, dans lequel on mesure B r à 0° et 180°et B q à 90° et 270°.