BE1005530A4 - Cyclotron isochrone - Google Patents

Abstract

Cyclotron isochrone compact supraconducteur (1) ou non caractérisé en ce que l'entrefer (8) localisé entre deux collines (3 et 3') présente un profil évolutif, et de préférence elliptique qui à tendance à se refermer à l'extrémité radiale (Rp) des collines (au rayon polaire) sur le plan médian (10). Selon une forme d'exécution préférée, le profil elliptique de l'entrefer (8) sera fermé au rayon polaire (Rp) par un shunt magnétique (9) constitué par un écran métallique d'une épaisseur radiale comprise entre 2 et 10 m, et comprenant au moins une ouverture (11) destinée au passage du faisceau extrait.

Description

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   CYCLOTRON ISOCHRONE Objet de l'invention
La présente invention concerne un cyclotron isochrone de conception nouvelle dans lequel le faisceau de particules est focalisé par secteurs. Plus particulièrement, la présente invention concerne un cyclotron isochrone comportant un circuit magnétique incluant au moins trois secteurs   appelés "collines" où   l'entrefer est réduit, séparés par des espacements en forme de secteurs   appelés "vallées" où   l'entrefer est de dimension plus grande. 



   La présente invention concerne plus particulièrement un cyclotron isochrone compact c'est-à-dire   énergétisé   par au moins une paire de bobines circulaires principales entourant les pôles. 



   La présente invention concerne à la fois les cyclotrons supraconducteurs et non supraconducteurs. 



  Etat de la technique
Les cyclotrons sont des accélérateurs de particules utilisés en particulier pour la production d'isotopes radioactifs. 



   Les cyclotrons se composent habituellement de trois ensembles principaux distincts constitués par l'électroaimant assurant le guidage des particules, le résonateur haute fréquence destiné à l'accélération des particules et l'enceinte à vide avec pompes. 



   L'électro-aimant assure le guidage des ions sur une trajectoire représentant approximativement une spirale de rayon croissant au cours de l'accélération. 

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   Dans les cyclotrons modernes de type isochrone les pôles de l'électro-aimant sont divisés en secteurs présentant alternativement un entrefer réduit et un entrefer plus grand. 



  La variation azimutale du champ magnétique qui en résulte a pour effet d'assurer la focalisation verticale et horizontale du faisceau au cours de l'accélération. 



   Parmi les cyclotrons isochrones, il convient de distinguer les cyclotrons de type compact qui sont énergétisés par au moins une paire de bobines circulaires principales et les cyclotrons dits à secteurs séparés où la structure magnétique est divisée en unités séparées entièrement autonomes. 



   Les cyclotrons isochrones de la première génération sont des cyclotrons qui utilisent des bobines circulaires de type classique, c'est-à-dire non supraconductrices. Pour ces cyclotrons de la première génération le champ d'induction moyen obtenu était limité à des valeurs de 1,4 Tesla. 



   Un mode de réalisation particulièrement favorable pour un cyclotron de ce type est décrit dans la demande de brevet européen   n    EP-A-0 222 786 où l'entrefer des secteurs appelés collines est réduit à une valeur proche de la taille du faisceau accéléré, tandis que l'entrefer des secteurs appelés vallées, qui séparent les collines, est très grand de façon telle que le champ magnétique y est approximativement nul. 



   Depuis une vingtaine d'années, sont apparus les cyclotrons appelés cyclotrons de la seconde génération qui utilisent les technologies des supraconducteurs. Dans ces cyclotrons, les bobines principales sont de type supraconductrices et permettent d'obtenir des inductions moyennes comprises entre 1,7 et 5 Tesla, ce qui permet de délivrer des faisceaux de particules présentant des rigidités magnétiques (Br) nettement supérieures à ceux délivrés par les cyclotrons de la première génération. 



   Cependant, du fait des inductions plus élevées obtenues, il a fallu augmenter le nombre de cavités accélératrices autant que possible afin d'éviter que le faisceau ne doive exécuter un trop grand nombre de tours au sein du 

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 cyclotron. En effet, lorsque le faisceau doit effectuer un nombre élevé de tours, ceci nécessite une précision accrue de réalisation du champ magnétique et on préfère dans ce cas utiliser toutes les vallées pour y loger les cavités accélératrices. 



   De ce fait, les dispositifs d'extraction dans les cyclotrons isochrones supraconducteurs sont rejetés en colline, ce qui complique nettement l'extraction. 



   Un second inconvénient dû au fait que des champs élevés sont obtenus pour des cyclotrons supraconducteurs est que les dispositifs d'extraction constitués par un canal électrostatique et/ou un canal électromagnétique, ont vu leur efficacité relative diminuer et par conséquent les cyclotrons de la seconde génération nécessitent des dispositifs d'extraction beaucoup plus complexes que ceux de la première génération. 



   En particulier les dispositifs d'extraction des cyclotrons connus de la seconde génération présentent la particularité qu'ils occupent presque un tour entier de machine le long duquel on peut dénombrer deux à trois extracteurs suivis de trois à dix éléments focalisateurs. 



   A titre d'exemple, on peut mentionner les dispositifs d'extraction particulièrement complexes K520 de Chalk-River ou K600 de Milan et AGOR utilisés dans des cyclotrons supraconducteurs. 



   Dans tous les cyclotrons isochrones compacts à bobines supraconductrices ou non, dans lesquels l'entrefer entre deux collines est essentiellement constant, on observe une décroissance de l'induction créée par la magnétisation des collines qui se fait sentir dès les deux premiers tiers du rayon polaire pour tomber à la moitié de sa valeur maximale au rayon polaire. 



   Une première solution a été proposée afin d'éviter cette décroissance, en choisissant un rayon polaire notablement plus grand que celui auquel l'énergie maximale est atteinte, mais de ce fait on a également allongé la zone radiale où le champ magnétique continue à croître sans être isochrone ; celui-ci passe par un maximum et décroît au-delà. 

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  L'extension de cette zone radiale de champ de bord va également compliquer nettement l'extraction. 



  Buts de l'invention
La présente invention vise à proposer une nouvelle configuration de cyclotron isochrone compact supraconducteur ou non ne présentant pas les inconvénients de l'art antérieur. 



   Un premier but de la présente invention vise à proposer un cyclotron isochrone compact supraconducteur ou non qui tend à empêcher l'affaiblissement de la composante verticale de l'induction lorsque l'on s'approche de l'extrémité radiale des pôles. 



   En particulier, la présente invention vise à proposer un cyclotron isochrone où la zone de champ non utilisable à l'extrémité des pôles se réduit à quelques millimètres. 



   Un autre but de la présente invention est de proposer un cyclotron qui présente un dispositif d'extraction simplifiée, en particulier dans le cas d'un cyclotron supraconducteur. 



   Un but complémentaire de la présente invention est par conséquent de réduire le coût de réalisation du dispositif d'extraction destiné au cyclotron selon l'invention. 



   D'autres buts et avantages apparaîtront dans la description qui suit. 



  Principaux éléments caractéristiques de la présente invention
La présente invention concerne un cyclotron isochrone compact caractérisé en ce que l'entrefer des collines présente un profil évolutif et de préférence elliptique qui a tendance à se refermer à l'extrémité radiale des collines (rayon polaire) sur le plan médian. 



   Cette configuration de l'entrefer des collines permet d'obtenir théoriquement une continuité parfaite de l'induction sur toute l'étendue radiale des collines. 



   En pratique, si on utilise un entrefer réduit à quelques millimètres à l'extrémité radiale des pôles, la zone de champ isochrone s'étendant sur moins de 2 cm à partir de l'extrémité radiale du pôle. 



   Toutefois il subsiste une remontée de l'induction 

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 au voisinage du rayon polaire du fait de la non uniformité de la magnétisation au bord même du pôle. 



   Afin d'éviter ce phénomène, on prévoit de réaliser la fermeture de l'entrefer au plan médian sous forme de "shunt"magnétique présentant de préférence une épaisseur radiale comprise entre 2 et 10 mm. 



   Outre le fait que selon cette configuration on rétablit la quasi parfaite continuité de l'induction interne jusqu'au rayon polaire, on observe également une décroissance extrêmement rapide de l'induction extérieure au-delà du rayon polaire, ce qui permet de simplifier fortement le système d'extraction du faisceau de particules. 



  Brève description des figures
La présente invention sera mieux décrite à l'aide des figures annexées dans lesquelles : - la figure 1 représente de manière schématique une vue éclatée des principaux éléments constituant un cyclotron isochrone com- pact ; - la figure 2 représente une vue en coupe d'un cy- clotron selon la présente invention ;   - la   figure 3 représente une vue plus détaillée d'un entrefer entre deux collines présen- tant les caractéristiques essentielles de la présente invention ; - les figures 4a à 4d sont des représentations graphiques de la valeur de la composante verticale de l'induction en fonction du rayon au plan médian de l'entrefer situé entre deux collines pour un cyclotron de l'art antérieur (fig. 4a) ou selon la présente invention (fig. 4b, 4c et 4d). 



  Description d'une forme d'exécution   préférée d'un   cyclotron
Le cyclotron représenté schématiquement à la figure
1 est un cyclotron destiné à l'accélération de protons jus- qu'à une énergie de 230 MeV. 



   La structure magnétique 1 du cyclotron se compose d'un certain nombre d'éléments 2,3, 4 et 5 réalisés en un 

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 matériau ferromagnétique et de bobines 6 réalisées en un matériau de préférence conducteur ou supraconducteur. 



   La structure ferromagnétique est constituée de : - deux plaques de base 2 et 2'appelées culasses ; - d'au moins trois secteurs supérieurs 3 appelés collines et d'un même nombre de secteurs inférieurs   3'situés symétri-   quement, par rapport à un plan de symétrie 10 dit plan médian, aux secteurs supérieurs 3 et qui sont séparés par un faible entrefer 8 ; entre chaque colline se situe un espace 4 où l'entrefer est de dimension plus élevée appelé "vallée" ;   - d'au   moins un retour de flux 5 réunissant de façon rigide la culasse inférieure 2 à la culasse supérieure 2'. 



   Les bobines 6 sont de forme essentiellement circulaire et sont localisées dans l'espace annulaire laissé entre les secteurs 3 ou   3'et   les retours de flux 5. 



   Ces bobines peuvent être réalisées en un matériau supraconducteur mais dans ce cas il faudra prévoir les dispositifs de cryogénie nécessaires. 



   Le conduit central est destiné à recevoir, au moins en partie, la source de particules 7 à accélérer qui sont injectées au centre de l'appareil par des moyens connus en soi. 



   La figure 2 représente une vue en coupe d'un cyclotron selon la présente invention. 



   La caractéristique essentielle du cyclotron selon la présente invention est constitué par le fait que l'entrefer 8 localisé entre deux collines 3 et 3'présente un profil évolutif et de préférence elliptique qui tendance à se refermer sur le plan médian 10 à l'extrémité radiale des collines appelée rayon polaire Rp. 



   Ainsi que déjà mentionné précédemment, en pratique on n'obtient qu'une quasi-fermeture, c'est-à-dire qu'il subsiste toujours une légère ouverture de l'ordre de quelques millimètres pour permettre le passage du faisceau dans le plan médian. 



   Selon une forme d'exécution encore préférée représentée à la figure 3, on a disposé au rayon polaire R un 

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 shunt magnétique sous forme d'un écran métallique présentant une épaisseur radiale comprise entre 2 et 10 mm et de préférence de l'ordre de 6,5 mm. 



   Il est bien entendu que le shunt magnétique est muni d'au moins une ouverture 11 pour permettre le passage du faisceau extrait. 



   Les figures 4a à 4d représentent la composante verticale    B,   de l'induction en fonction du rayon r dans le cas d'une   magnétisation   uniforme. 



   La figure 4a représente cette variation dans le cas d'un entrefer constant b entre deux collines comme c'est le cas pour un cyclotron selon l'art antérieur. 



   On observe que dans ce cas l'induction verticale
Bz décroît rapidement en fonction du rayon r et ceci déjà pour une valeur nettement inférieure au rayon polaire Rp. 



   Cette décroissance se fait déjà sentir dès les deux premiers tiers du rayon polaire pour tomber à la moitié de sa valeur maximale au rayon polaire Rp. 



   La figure 4b représente la variation de l'induction 
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 magnétique Bz en fonction du rayon r dans le cas où l'entrefer se présente sous forme elliptique se fermant au rayon polaire Rp. 



   Dans ce cas théorique, on observe une continuité parfaite de l'induction pour toute distance radiale inférieure au rayon polaire Rp et une décroissance extrêmement rapide au-delà du rayon polaire. 



   Néanmoins ainsi que déjà mentionné précédemment, ce cas est théorique ; en réalité on a une non uniformité de la magnétisation it au voisinage du rayon polaire Rp qui génère par conséquent une remontée de l'induction telle que représentée à la figure 4c. 



   Afin d'éviter cet effet indésirable, il convient d'introduire un shunt magnétique qui obstrue le plan médian et permet ainsi de rétablir l'uniformité de la magnétisation et par conséquent la continuité quasi parfaite de l'induction verticale pour un rayon inférieur au rayon polaire ainsi que cela apparaît à la figure 4d. 

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   Il convient de noter que la valeur de la composante verticale Bz (r) de l'induction magnéto-statique pour le rayon inférieur au rayon Rp polaire dépend essentiellement de la valeur du demi petit axe (b) de l'ellipse générant le profil de l'entrefer formé entre deux collines. 



   L'avantage principal de cette configuration de l'entrefer pour un cyclotron selon la présente invention réside dans le fait que le système d'extraction du faisceau de particules sera fortement simplifié par rapport au système d'extraction pour des cyclotrons selon l'état de l'art antérieur. 



   En particulier, un cyclotron selon la présente invention peut posséder un système d'extraction composé uniquement d'un seul déflecteur électrostatique suivi de deux ou trois canaux magnétostatiques focalisateurs. 



   Dans le présent cas, ces canaux magnétostatiques sont constitués de barres de fer doux à section rectangulaire de petite dimension et sont par conséquent d'un coût de réalisation très faible. 



   De manière générale, un cyclotron selon la présente invention présente l'avantage de la réduction du volume de fer nécessaire à la réalisation des pôles de la culasse par rapport à ceux d'un cyclotron selon l'art antérieur.

Claims (6)

1. REVENDICATIONS 1. Cyclotron isochrone compact (1) supraconducteur ou non caractérisé en ce que l'entrefer (2) localisé entre deux collines (3 et 3') présente un profil évolutif, et de préférence elliptique qui a tendance à se refermer à l'extrémité radiale des collines (Rp) sur le plan médian (10).
2. 2. Cyclotron selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'entrefer elliptique (8) entre deux collines (3 et 3') présente une légère ouverture de l'ordre de quelques millimètres au rayon polaire (Rp).
3. 3. Cyclotron selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'on réalise la fermeture de l'entrefer au plan médian (10) sous forme d'un shunt magnétique (9).
4. 4. Cyclotron selon la revendication 3 caractérisé en ce que le shunt magnétique (9) est muni d'au moins une ouverture (11) afin de permettre le passage du faisceau extrait.
5. 5. Cyclotron selon la revendication 3 ou 4 caractérisé en ce que le shunt magnétique (9) se présente sous la forme d'un écran métallique d'une épaisseur radiale comprise entre 2 et 10 mm.
6. 6. Cyclotron selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le système d'extraction associé au cyclotron se compose d'un seul déflecteur électrostatique suivi de préférence de deux ou trois canaux magnétostatiques focalisateurs.