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Installation de guidage et de focalisation d'un faisceau de particules dérivé d'un accélérateur Dans l'exploitation des accélérateurs de particules chargées, il est courant de dériver du faisceau accéléré ou en cours d'accélération plusieurs faisceaux, correspondant chacun à une bande d'énergie déterminée, et de diriger chacun d'eux sur une cible située à un poste d'utilisation dont l'emplacement par rapport à la source du faisceau est fixé d'avance.
On utilise généralement à cet effet un aimant qui incurve les trajectoires des particules dans le plan perpendiculaire à ses lignes de force de façon qu'elles sortent de l'aimant sous, un certain angle par rapport au faisceau dans l'accélérateur et qu'elles suivent un guide qui relie la sortie de l'aimant au point d'utilisation désiré.
Si l'on considère un filet donné dans le faisceau (par exemple électronique), ce filet contient des électrons de différentes énergies et l'aimant en question agit sur ces différents électrons de telle sorte qu'ils suivent des trajectoires différentes, qui sont étalées dans des plans parallèles aux faces polaires de l'aimant, et qui se recoupent en un point effectif ou virtuel appelé foyer d'énergie .
Si l'on considère au contraire des filets parallèles dans le sein du faisceau et l'on ne considère dans tous ces filets que les électrons d'une même énergie, et si les faces d'entrée et de sortie de l'aimant sont parallèles, un tel aimant n'exercera sur ces filets parallèles aucune action fo- calisatrice dans le plan de symétrie de l'entrefer perpendiculaire aux lignes de force, si bien que le faisceau n'aura pas dans ce plan (qui sera appelé dans la suite plan horizontal ) de foyer (que l'on appellera foyer horizontal ).
Dans le plan normal au précédent (qui sera appelé dans la suite plan vertical ), cet aimant se comportera au contraire en lentille, de sorte que les filets parallèles de même énergie auront dans le plan vertical un foyer (que l'on appellera foyer vertical ), dont la position dans l'espace ne coïncidera cependant pas dans le cas général avec le foyer d'énergie. Ainsi, le système connu d'aimant dérivateur donne à la sortie un faisceau afocal horizontalement, et avec un foyer vertical ne coïncidant pas avec le foyer d'énergie.
Or, les cibles utilisées aux postes d'utilisation sont généralement de dimensions très petites, et il y a intérêt à focaliser le faisceau sur elles aussi bien en énergie qu'horizontalement et verticalement. Autrement dit, il faut que le système de guidage soit tes que le foyer d'énergie, le foyer horizontal et le foyer vertical coïncident tous les trois avec le point prédéterminé dans l'espace où la cible est installée,
problème qui n'a pas reçu de solution satisfaisante dans les systèmes de guidage connus.
La présente invention vise une installation de guidage d'un faisceau de particules chargées dérivé d'un accélérateur, qui apporte la solution du problème ci- dessus, c'est-à-dire qui amène en coïncidence, sans aberration inadmissible, les trois foyers indiqués avec un point déterminé dans l'espace.
L'installation de guidage et de focalisation conforme à l'invention est caractérisée par le fait qu'elle comporte une paire d'aimants à lignes de force mutuellement parallèles mais respectivement opposées, les faces d'entrée et de sortie du premier aimant et la face d'entrée du second étant parallèles, et, entre la face de sortie du second aimant et le point d'utilisation, une lentille magnétique ayant des caractéristiques de convergence différentes dans le plan horizontal et dans le plan vertical.
Par exemple, la lentille pourra être divergente dans l'un de ces plans et convergente dans l'autre. On connaît une réalisation simple d'une telle lentille,
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dans laquelle les valeurs absolues des distances focales dans les deux plans sont égales.
Dans le cas où la face de sortie du second aimant n'est pas parallèle à la face d'entrée (tout en restant normale au plan horizontal), cette installation de deux aimants et une lentille est suffisante pour obtenir le résultat désiré.
Dans le cas contraire, où les faces d'entrée et de sortie des deux aimants sont parallèles, une seconde lentille magnétique sera interposée entre la face de sortie du second aimant et la première lentille, cette lentille étant de même type que la précédente, c'est- à-dire ayant des caractéristiques de convergence différentes dans deux plans orthogonaux.
Le dessin représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'objet de l'invention: La fig. 1 est une vue en plan d'une installation conforme à l'invention ; la fig. 2 est une vue latérale d'une lentille magnétique utilisée dans les fig. 1 et 3 ; la fig. 3 est une vue en plan analogue à la fig. 1 mais correspondant à un cas particulier.
Sur la fig. 1, on a représenté schématiquement en 1 un accélérateur de particules chargées, par exemple un accélérateur linéraire d'électrons. En 2 est disposé un poste d'utilisation comportant une cible sur laquelle il convient de focaliser les électrons accélérés. A cet effet on prévoit un système de guidage composé d'une petite paire d'aimants 3, 4 et d'une lentille magnétique 5. L'aimant 3 correspond à l'aimant classique utilisé pour dériver un faisceau partiel en un point donné de l'accélérateur 1. Ses lignes de force sont supposées perpendiculaires au plan de la figure ; ce plan sera donc considéré comme plan horizontal suivant les définitions données précédemment.
Elles sont dirigées vers l'observateur, la déviation a donc lieu à gauche par rapport au sens primitif du faisceau donné par la flèche 6. Ses. faces d7en- trée et de sortie sont parallèles ; elles sont inclinées sur la normale à la direction 6 sous un angle a. L'intensité B du champ magnétique est telle que le rayon de courbure de la trajectoire des électrons d'énergie moyenne E soit R.
Les grandeurs B, E et R sont liées par la relation connue B.
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où B est en Gauss, R en centimètres, E en MeV. Enfin la largeur de l'aimant sera prise égale à R sin a, si l'on désire que le faisceau émerge de l'aimant 3 normalement à sa face de sortie, comme il est repésenté sur la fig. 1.
Le deuxième aimant est situé à la distance L, dont le choix est libre, de la face de sortie de l'aimant 3. Sa face d'entrée 7 est parallèle aux faces de l'aimant 3, tandis que sa face de sortie 8 est inclinée dans le plan horizontal sous un angle (3 sur la face d'entrée, tout en restant normale au plan horizontal. Ses lignes de force sont perpendiculaires au plan de la figure, mais opposées à celles de l'aimant 3.
L'angle (3 pourra d'ailleurs être rendu réglable, en pré- voyant un mécanisme permettant de faire pivoter la face 8 autour de l'axe vertical 9.
Cet aimant 4 incurve les trajectoires électroniques dans le sens opposé de celui de l'aimant 3, et l'on pourra toujours choisir les paramètres R, L, a et P de façon que la trajectoire issue de l'aimant 4 passe par le point déterminé 2. Le choix d'ensembles de valeurs différentes pour ces paramètres permettra de diriger sur autant de postes d'utilisation distincts que l'on veut, des faisceaux distincts dérivés d'un même accélérateur, au moyen d'un nombre correspondant d'installations décrites.
En vue de parachever la focalisation, on dispose entre la face de sortie 8 et la cible 2 une lentille magnétique 5 du type ayant des caractéristiques de convergence différentes dans deux plans perpendiculaires, par exemple donnant respectivement la con- vergence et la divergence dans ces deux plans, avec égalité des valeurs absolues des distances focales correspondantes. Une telle lentille, de structure connue, est représentée en vue latérale sur la fig. 2. Elle comporte une carcasse 5 sur laquelle sont fixées deux paires de pôles magnétiques 10 à 45" sur les plans de convergence et de divergence désirés. Les pôles d'une même polarité se font face suivant une même diagonale.
On détermine facilement que si le faisceau 13 est composé d'électrons et se dirige de l'observateur vers le plan du papier, la disposition indiquée, comportant les pôles N à gauche en haut et à droite en bas, et les pôles S à gauche en bas et à droite en haut, assure la convergence dans le plan AA et la divergence dans le plan BB. La lentille 5 dans la fig. 1 est alors disposée, pour le faisceau d'électrons allant de gauche à droite, de façon que le plan BB coïncide avec le plan horizontal (plan de la figure).
En calculant cette installation par des méthodes accessibles à une homme de métier, on arrive toujours à trouver un jeu de valeurs R, L, a, P, distances respectives de la lentille 5 de la cible 2 et de l'aimant 4, et de valeur de la convergence de la lentille 5 (égale à la valeur de la convergence au signe près), de façon que, simultanément, soient satisfaites les conditions de passage du faisceau 13 par le point 2, et de triple focalisation (en énergie, en concentration horizontale et en concentration verticale)
de ce faisceau en ce point précis. L'installation est alors complétée par une enceinte 11 dans laquelle on peut faire le vide et dans laquelle se propage le faisceau jusqu'à sa captation par la cible 2.
Sans s'engager dans les modalités des calculs qui dépendent de chaque cas particulier, on peut expliquer le fonctionnement du dispositif qualitativement et en gros comme suit: On sait qu'une paire d'aimants tels que 3 et 4 présente la propriété que le foyer d'énergie coïncide avec le foyer horizontal, la distance commune de ce foyer double à la face de sortie 8 de l'aimant 4 dépendant de l'ange P. Cette distance est finie lorsque l'angle (3 n'est pas nul, et le double foyer d'énergie et horizontal se place alors quelque part sur l'axe du
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faisceau émergent, dans le plan horizontal.
En même temps, la distance du foyer vertical dépend en général de la dimension L, mais le foyer vertical se place sur le même axe que le double foyer précédent et en général en un point différent de celui-ci. Il est donc possible de dimensionner le système pour que la cible 2 soit placée entre le double foyer mentionné et le foyer vertical. La lentille 5, convenablement dimensionnée et positionnée, agit alors par sa divergence de façon à allonger la distance d'un de ces foyers, et par sa convergence de façon à raccourcir la distance de l'autre.
Les deux distances sont alors susceptibles de devenir égales à la distance entre la face 8 et la cible 2, si bien que la triple focalisation sur cette cible est effectivement réalisée.
Un cas particulier correspond à l'angle @ nul, c'est-à-dire au parallélisme de toutes les faces d'entrée et de sortie des deux aimants 3 et 4. L'ensemble de ces aimants conserve alors la propriété de coïncidence du foyer d'énergie avec le foyer horizontal, mais ce double foyer est rejeté à l'infini c'est-à-dire que le système est afocal horizontalement. Le système de la fig. 1 est alors modifié suivant la fig. 3, où les mêmes références ont été utilisées pour désigner les éléments analogues. Dans ce cas, une lentille supplémentaire 12 est intercalée entre la face 8, qui est cette fois parallèle à la face 7, et la lentille 5.
Cette lentille est de la même structure que 5, c'est- à-dire conforme à la fig. 2, mais est croisée à 90 avec la précédente, c'est-à-dire que son plan de convergence AA est placé horizontalement (dans le plan de la figure). Le rôle de cette lentille est de ramener le double foyer de l'infini à une distance finie sur l'axe du faisceau, ce qui ramène les conditions à celles de la fig. 1.
A titre d'exemple, on indiquera les résultats de calcul du système dans le cas de la fig. 3 où la face de sortie de l'aimant 3 est normale au faisceau émergent, ce système étant rendu encore plus particulier par un dimensionnement tel que non seulement le foyer horizontal mais aussi le foyer vertical soit rejeté à l'infini c'est-à-dire que le système d'aimants soit afocal horizontalement et verticalement. Ce di- mensionnement est donné comme connu par la relation : L = 2R (ctg α-αo.
Dans ce cas, en désignant par e la distance entre les deux lentilles 12 et 5, par f la distance entre la lentille 5 et la cible 2, et par Dl et D2 la convergence (ou la divergence respective des lentilles 12 ou 5, le calcul donne pour la lentille 12 la relation
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Dl et D2 étant en dioptries si e et f sont en mètres. Dans tous les cas, le calcul montre également que l'aberration est négligeable.
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Installation for guiding and focusing a particle beam derived from an accelerator In the operation of charged particle accelerators, it is common practice to derive from the accelerated beam or during acceleration several beams, each corresponding to a band of determined energy, and to direct each of them to a target located at a use station whose location relative to the source of the beam is fixed in advance.
A magnet is generally used for this purpose which curves the trajectories of the particles in the plane perpendicular to its lines of force so that they exit the magnet at a certain angle with respect to the beam in the accelerator and that they follow a guide that connects the output of the magnet to the desired point of use.
If we consider a given net in the beam (for example electronic), this net contains electrons of different energies and the magnet in question acts on these different electrons in such a way that they follow different trajectories, which are spread out in planes parallel to the polar faces of the magnet, and which intersect at an effective or virtual point called the energy focus.
If, on the contrary, we consider parallel threads in the bosom of the beam and we only consider in all these threads the electrons of the same energy, and if the input and output faces of the magnet are parallel , such a magnet will not exert on these parallel threads any focusing action in the plane of symmetry of the air gap perpendicular to the lines of force, so that the beam will not have in this plane (which will be called hereafter horizontal plane) of focus (which we will call horizontal focus).
In the plane normal to the previous one (which will be called in the following vertical plane), this magnet will behave on the contrary as a lens, so that the parallel threads of the same energy will have in the vertical plane a focus (which we will call vertical focus ), whose position in space will not however coincide in the general case with the focus of energy. Thus, the known system of differentiating magnet gives at the output an afocal beam horizontally, and with a vertical focus not coinciding with the energy focus.
Now, the targets used at the user stations are generally of very small dimensions, and it is advantageous to focus the beam on them both in terms of energy and horizontally and vertically. In other words, the guidance system must be such that the energy focus, the horizontal focus and the vertical focus all three coincide with the predetermined point in the space where the target is installed,
problem which has not received a satisfactory solution in known guidance systems.
The present invention is aimed at an installation for guiding a beam of charged particles derived from an accelerator, which provides the solution of the above problem, that is to say which brings into coincidence, without inadmissible aberration, the three foci indicated with a specific point in space.
The guiding and focusing installation according to the invention is characterized in that it comprises a pair of magnets with mutually parallel but respectively opposite lines of force, the input and output faces of the first magnet and the input face of the second being parallel, and, between the output face of the second magnet and the point of use, a magnetic lens having different convergence characteristics in the horizontal plane and in the vertical plane.
For example, the lens could be divergent in one of these planes and convergent in the other. We know a simple embodiment of such a lens,
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in which the absolute values of the focal lengths in the two planes are equal.
In the case where the exit face of the second magnet is not parallel to the entry face (while remaining normal to the horizontal plane), this installation of two magnets and a lens is sufficient to obtain the desired result.
Otherwise, where the input and output faces of the two magnets are parallel, a second magnetic lens will be interposed between the output face of the second magnet and the first lens, this lens being of the same type as the previous one, c 'that is, having different convergence characteristics in two orthogonal planes.
The drawing represents, by way of example, an embodiment of the object of the invention: FIG. 1 is a plan view of an installation according to the invention; fig. 2 is a side view of a magnetic lens used in Figs. 1 and 3; fig. 3 is a plan view similar to FIG. 1 but corresponding to a particular case.
In fig. 1, there is shown schematically at 1 a charged particle accelerator, for example a linear electron accelerator. In 2 is arranged a user station comprising a target on which it is appropriate to focus the accelerated electrons. For this purpose a guidance system is provided consisting of a small pair of magnets 3, 4 and a magnetic lens 5. Magnet 3 corresponds to the conventional magnet used to derive a partial beam at a given point of the accelerator 1. Its lines of force are assumed to be perpendicular to the plane of the figure; this plane will therefore be considered as a horizontal plane according to the definitions given above.
They are directed towards the observer, the deviation therefore takes place to the left with respect to the original direction of the beam given by arrow 6. Ses. entry and exit faces are parallel; they are inclined to the normal to direction 6 at an angle a. The intensity B of the magnetic field is such that the radius of curvature of the trajectory of the electrons of average energy E is R.
The quantities B, E and R are linked by the known relation B.
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where B is in Gauss, R in centimeters, E in MeV. Finally, the width of the magnet will be taken equal to R sin a, if it is desired that the beam emerges from the magnet 3 normally at its exit face, as it is shown in FIG. 1.
The second magnet is located at the distance L, the choice of which is free, from the output face of the magnet 3. Its input face 7 is parallel to the faces of the magnet 3, while its output face 8 is inclined in the horizontal plane at an angle (3 on the entry face, while remaining normal to the horizontal plane. Its lines of force are perpendicular to the plane of the figure, but opposite to those of the magnet 3.
The angle (3 can moreover be made adjustable, by providing a mechanism allowing the face 8 to be pivoted around the vertical axis 9.
This magnet 4 curves the electronic trajectories in the opposite direction to that of the magnet 3, and we can always choose the parameters R, L, a and P so that the trajectory coming from the magnet 4 passes through the point determined 2. The choice of sets of different values for these parameters will make it possible to direct to as many distinct stations of use as one wishes, distinct beams derived from the same accelerator, by means of a corresponding number of facilities described.
In order to complete the focusing, a magnetic lens 5 of the type having different convergence characteristics in two perpendicular planes, for example giving respectively the convergence and the divergence in these two, is placed between the exit face 8 and the target 2. planes, with equality of the absolute values of the corresponding focal lengths. Such a lens, of known structure, is shown in side view in FIG. 2. It comprises a frame 5 on which are fixed two pairs of magnetic poles 10 to 45 "on the desired convergence and divergence planes. The poles of the same polarity face each other along the same diagonal.
It is easily determined that if the beam 13 is composed of electrons and goes from the observer towards the plane of the paper, the arrangement shown, comprising the N poles on the left at the top and on the right at the bottom, and the S poles on the left at the bottom and on the right above, ensures convergence in the AA plane and divergence in the BB plane. The lens 5 in FIG. 1 is then arranged, for the electron beam going from left to right, so that the plane BB coincides with the horizontal plane (plane of the figure).
By calculating this installation by methods accessible to a person skilled in the art, it is always possible to find a set of values R, L, a, P, respective distances of the lens 5 from the target 2 and from the magnet 4, and of value of the convergence of the lens 5 (equal to the value of the convergence to the nearest sign), so that, simultaneously, the conditions for passing the beam 13 through point 2, and for triple focusing (in energy, in horizontal and vertical concentration)
of this beam at this precise point. The installation is then completed by an enclosure 11 in which a vacuum can be created and in which the beam propagates until it is captured by the target 2.
Without going into the methods of calculations which depend on each particular case, we can explain the operation of the device qualitatively and roughly as follows: We know that a pair of magnets such as 3 and 4 has the property that the focus energy coincides with the horizontal focus, the common distance of this double focus to the exit face 8 of the magnet 4 depending on the angel P. This distance is finite when the angle (3 is not zero, and the double focus of energy and horizontal is then placed somewhere on the axis of the
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beam emerging, in the horizontal plane.
At the same time, the distance from the vertical focus generally depends on the dimension L, but the vertical focus is placed on the same axis as the previous bifocal and in general at a different point from it. It is therefore possible to dimension the system so that the target 2 is placed between the mentioned double focus and the vertical focus. The lens 5, suitably sized and positioned, then acts by its divergence so as to lengthen the distance from one of these focal points, and by its convergence so as to shorten the distance from the other.
The two distances are then likely to become equal to the distance between face 8 and target 2, so that the triple focusing on this target is effectively achieved.
A special case corresponds to the angle @ zero, that is to say the parallelism of all the input and output faces of the two magnets 3 and 4. All of these magnets then retain the coincidence property of the focus of energy with the horizontal focus, but this double focus is rejected ad infinitum, that is to say that the system is afocal horizontally. The system of FIG. 1 is then modified according to FIG. 3, where the same references have been used to designate like elements. In this case, an additional lens 12 is interposed between face 8, which is this time parallel to face 7, and lens 5.
This lens is of the same structure as 5, that is to say in accordance with FIG. 2, but is crossed at 90 with the previous one, that is to say that its plane of convergence AA is placed horizontally (in the plane of the figure). The role of this lens is to bring the double focus of infinity to a finite distance on the axis of the beam, which brings the conditions back to those of fig. 1.
By way of example, the calculation results of the system will be indicated in the case of FIG. 3 where the exit face of the magnet 3 is normal to the emerging beam, this system being made even more particular by a dimensioning such that not only the horizontal focus but also the vertical focus is rejected to infinity, that is to say - say that the magnet system is afocal horizontally and vertically. This dimensioning is given as known by the relation: L = 2R (ctg α - α o.
In this case, by denoting by e the distance between the two lenses 12 and 5, by f the distance between the lens 5 and the target 2, and by D1 and D2 the convergence (or the respective divergence of the lenses 12 or 5, the calculation gives for lens 12 the relation
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D1 and D2 being in diopters if e and f are in meters. In all cases, the calculation also shows that the aberration is negligible.