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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.