LU85895A1 - Cyclotron - Google Patents

Description

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CYCLOTRON

La présente invention est relative a un cyclotron de conception nouvelle qui permet de réduire de manière sensible les besoins en énergie.

05 Dans le cas des cyclotrons classiques, une part importante de la puissance est utilisée pour produire et profiler le champ magnétique nécessaire à l'accélération des particules.

Il existe actuellement des cyclotrons dits "à 10 secteurs séparés" dans lesquels les électrodes d'accélé-

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ration sont logées entre les secteurs. Dans ce cas, les entrefers sont réduits et, par conséquent, un nombre d'ampères/tour relativement peu important suffit pour obtenir l'effet désiré. Neanmoins, ces cyclotrons pré-15 sentent les inconvénients suivants : d'une part, les bobines qui entourent les secteurs sont de forme complexe et de section réduite; d'autre part, la conception mécanique de cyclotron et notamment de la boîte à vide est complexe et coûteuse.

20 On connaît également les cyclotrons dits "com pacts" qui ne comportent qu'un seul pôle. Dans ce cas, les électrodes d'accélération, généralement appelées "dés" sont disposées dans l'entrefer. Par conséquent, la puissance fournie au cyclotron doit être relativement 25 élevée pour établir le champ magnétique dans un entrefer de taille accrue. En revanche, la boîte à vide est très simple et peu coûteuse.

On comprend aisément que pour réduire de manière « sensible les besoins en énergie d'un cyclotron deux con- 30 ditions essentielles doivent être remplies : d'une part l'entrefer doit être aussi réduit que possible en vue de diminuer le nombre d1 ampères/tour requis et, d'autre part, la densité de courant dans les bobines doit être ' aussi faible que possible, pour minimiser la puissance 35 requise pour obtenir le nombre d1 ampères/tour nécessaire.

h Le but de la présente invention vise â fournir un r~— J * * 2 ί j cyclotron d'un type nouveau qui permet de combiner les avantages des divers cyclotrons connus jusqu'à présent, en vue de réaliser les conditions mentionnées dans le paragraphe précédent.

05 Un autre but' de 1'invention est de fournir un cy clotron d'un type 'particulier qui ne présente pas les inconvénients des deux types de cyclotron connus jusqu'à présent.

Les buts de la présente invention sont atteints 10 par un cyclotron caractérisé en ce qu'il comporte un circuit magnétique constitué par au moins trois secteurs „ appelés "collines" séparés par des espacements en forme de secteur dénommés "vallées" et par une seule bobine essentiellement circulaire entourant essentiellement les 15 "collines" et les "vallées", des retours de flux pouvant être agencés à l'extérieur de la bobine en face des "collines", en vue de la fermeture du circuit magnétique .

Selon l'invention, le cyclotron comporte de prê-20 férence quatre secteurs en un matériau magnétique classique .

Un grand avantage du dispositif selon l'invention réside dans le fait que les électrodes d'accélération peuvent être disposées dans les "vallées" et que, par 25 conséquent, l'entrefer peut être réduit à un minimum, c'est-à-dire à l'emplacement nécessaire pour la circulation des particules à accélérer. Il en résulte une notable économie de 1'énergie consommée.

* Un autre avantage du cyclotron selo le principe 30 de conception de l’invention, réside dans la simplicité de la bobine qui fournit le champ d'induction magnétique .

Par ailleurs, contrairement aux dispositifs existants, la structure a une symétrie de révolution, avec 35 des retours de flux dans l'alignement de chacun des secteurs, ce qui élimine complètement les dissymétries né-U fastes du champ magnétique associées aux conceptions i fï /Λ i * * 3 * classiques.

En outre# la conception du cyclotron selon l'invention permet de loger les électrodes accélératrices à poutre verticale ainsi que l'étage final de l'amplifica-05 teur de puissance directement dans les "vallées". Avantageusement, la plaque de l'électrode est couplée induc-tivement à la cavité du cyclotron. La stabilité du système n'en est qu'améliorée.

Bien qu'un tel couplage inductif ait déjà été 10 utilisé dans les cyclotrons classiques, il n'a jamais été utilisé pour résoudre les problèmes de charge variable dans les cyclotrons à haute intensité.

Les cyclotrons classiques font également appel à des montages des électrodes d'accélération sur une pou-15 tre verticale résonnant à demi-longueur d'onde. Ces cavités sont généralement excitées à partir d'un générateur de puissance à haute fréquence, situé à une certaine distance.

Par ailleurs, dans le cas des cyclotrons classi-20 ques, si l'intensité du faisceau accéléré par le cyclotron est telle que la puissance d'accélération devient comparable à la puissance dissipée par effet Joule dans -les cavités, l'inpédance shunt apparente de la cavité est diminuée, et le système de couplage est désaccordé, 25 entraînant l'apparition de puissance réfléchie sur la ligne de transmission. Cet effet peut être à l'origine d'instabilités dans le système interactif faisceau-tension accélératrice.

D'autres détails et avantages apparaîtront plus 30 clairement dans la description qui· suit accompagnée des figures dans lesquelles : - la figure 1 représente une coupe schématique selon le 1 plan médian d'un cyclotron selon l'invention? et - la figure 2 représente une coupe selon la ligne II-ÎI 35 de la figure 1.

A II est bien évident que la présente description / n'est donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne vise pas i_ . / / ! 4 m ? à limiter la portée de la présente invention. Pour des raisons de clarté, les dispositifs accesoires tels que par exemple les conduits de sortie, les dipositifs de suspension et la pompe à vide associée à la source de 05 particules ont été omis. Dans les figures, des repères identiques représentent des éléments identiques ou analogues .

En référence aux figures, le cyclotron 1 selon l'invention se compose d'une culasse supérieure 3 et 10 d'une culasse inférieure 5 reliées entre elles par des éléments d'entretoisement 7 et 9 et des retours de „ flux 11. Le noyau magnétique est formé par quatre sec teurs supérieurs 13 et quatre secteurs inférieurs 15 situés l'un en face de l'autre par rapport au plan median 15 17 et séparés par un entrefer minimum 19 laissant l'es pace nécessaire pour le passage du faisceau de particules. Les secteurs 13 et 15 sont fixés, respectivement aux culasses supérieure et inférieure. Les retours de flux 11 et les secteurs 13,15 sont séparés par une 20 chambre annulaire dans laquelle est logée la bobine d'induction répartie en une bobine supérieure 21 et inférieure 23, correspondant aux secteurs supérieur 13 et inférieur 15.

Avantageusement, les retours de flux 11 sont 25 situées en face des secteurs 13,15 de manière à constituer un circuit magnétique fermé.

Les divers éléments constitutifs sont assemblés par des moyens connus en soi comme des boulons non référencés mais indiqués par des traits d'axe.

30 Le conduit central 25 est destiné à recevoir, au moins en partie, la source de particules à accélérer qui sont injectées au centre de l'appareil par des moyens connus en soi.

Dans le cas représenté d'un cyclotron à quatre 35 secteurs ou à quatre "collines", l'angle d'un secteur <r J est avantageusement de l'ordre de 54°. r-L Un cyclotron selon l'invention comporte avanta-

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il /{ 5 9 * ' * geusement deux amplificateurs de puissance à haute fréquence 27 couplés inductivement aux électrodes d'accélération à poutre verticale 29, qui sont logés dans les "vallées” entre les secteurs 13,15.

05 On notera l'avantage de la simplicité d'une gros- , se bobine et de l'entrefer réduit à un minimum, qui per met d'obtenir des économies d'énergie non négligeables.

v A titre d'exemple, on peut mentionner que, dans le cas d'un cyclotron d'une énergie de l'ordre de 30MeV, „ 10 la puissance consommée pour établir le champ magnétique passe de 100 KW, pour un cyclotron de type classique, à s 7 KW pour le cyclotron selon l'invention, A-

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Claims (7)

1. Cyclotron caractérisé en ce qu'il comporte un circuit magnétique constitué par au moins trois secteurs appelés "collines" séparés par des espacements en forme 05 de secteur dénommés "vallées" et par une seule bobine essentiellement circulaire entourant essentiellement les „ collines et les vallées.

2. Cyclotron selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte des retours de flux agencés à v 10 l'extérieur de la bobine annulaire, en face des colli nes, pour former le circuit magnétique.

* 3. Cyclotron selon 1'une quelconque des revendi cations précédentes caractérisé en ce que les secteurs dénommés colline présentent un angle de l'ordre de 54°.

4. Cyclotron selon l’une quelconque des revendi cations précédentes caractérisé en ce qu'il comporte quatre secteurs dénommés colline.

5. Cyclotron selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les électrodes 20 d'accélération sont logées dans les vallées.

6. Cyclotron selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'étage final· de l'amplificateur de puissance est monté dans les vallées .

7. Cyclotron selon l'une quelconque des revendi cations précédentes caractérisé en ce que l'étage final de l'amplificateur de puissance est couplé inductivement ! aux électrodes d'accélération. / --^ I: f i S H I: y ? U CT y-