EP0222786B1 - Cyclotron - Google Patents

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EP0222786B1
EP0222786B1 EP86902291A EP86902291A EP0222786B1 EP 0222786 B1 EP0222786 B1 EP 0222786B1 EP 86902291 A EP86902291 A EP 86902291A EP 86902291 A EP86902291 A EP 86902291A EP 0222786 B1 EP0222786 B1 EP 0222786B1
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EP
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hills
valleys
sectors
cyclotron
air gap
Prior art date
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EP86902291A
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German (de)
English (en)
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EP0222786A1 (fr
Inventor
Yves Jongen
Guido Ryckewaert
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Universite Catholique de Louvain UCL
Original Assignee
Universite Catholique de Louvain UCL
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H13/00—Magnetic resonance accelerators; Cyclotrons

Definitions

  • the present invention relates to a conventional cyclotron of a new design which makes it possible to significantly reduce the energy requirements.
  • cyclotrons using superconductive coils superconductive cyclotrons
  • cyclotrons using non-superconductive coils conventional cyclotrons
  • Superconducting cyclotrons do not use electrical power to maintain the magnetic field necessary to accelerate particles.
  • the technology of superconducting coils and associated cryogenics remains complex and expensive.
  • these coils required liquid helium as the coolant.
  • the acceleration electrodes generally called “dice” are arranged in the air gap. Consequently, the power supplied to the cyclotron must be relatively high to establish the magnetic field in an air gap of increased size.
  • the vacuum box is very simple and inexpensive.
  • each separate sector is equipped with a pair of coils. These coils are of complex shape (sector-shaped) and, to free the free space between the sectors, they must be of minimum section.
  • a conventional cyclotron of the compact type corresponding to the preamble of claim 1 is known from French Patent Application FR-A-2 176 485.
  • the object of the present invention is to provide a new type of non-superconductive cyclotron where the electric power required to produce the magnetic field is much lower than in the above-mentioned conventional cyclotrons, namely the "compact" cyclotron and the separate sector cyclotron. ".
  • a cyclotron according to claim 1 comprising a new magnetic structure where there is a small air gap, which reduces the number of amps / revolution required, but also a pair of essentially circular coils and advantageously of large section, which reduces the current density and therefore the electrical power required to produce the number of amps / turn required.
  • Another object of the invention is to avoid in the new structure the mechanical complexity inherent in so-called "separate sector” cyclotrons.
  • This new structure specific to the conventional cyclotron according to the invention is characterized in that it comprises at least three sectors called “hills” where the air gap is reduced to a dimension close to that of the accelerated beam and where the magnetic flux is essentially concentrated. , separated by sector-shaped spacings called “valleys", where the air gap is very large (for example, but not limited to, where the air gap is of the order of 30 times that of the hills ), so that the magnetic flux is essentially zero and by a single pair of essentially circular coils essentially surrounding the "hills” and the “valleys", flux returns being advantageously arranged outside the coil opposite the "hills ", with a view to closing the magnetic circuit.
  • cyclotron Another advantageous characteristic of the cyclotron according to the invention is that the sectors called “hills” are rigidly assembled on two plates called “yoke” forming covers for the vacuum box and channeling the magnetic flux towards the aforementioned flux returns.
  • the cyclotron preferably comprises four sectors made of a conventional magnetic material.
  • a great advantage of the device according to the invention lies in the fact that the acceleration electrodes can be placed in the "valleys" and that, consequently, the air gap can be reduced to a minimum, that is to say at the location necessary for the circulation of the particles to be accelerated. This results in a notable saving in the energy consumed.
  • Another advantage of the cyclotron according to the design principle of the invention lies in the simplicity of the coils which provide the magnetic induction field.
  • the magnetic flux is concentrated in the "hills" where the air gap is minimum and essentially zero in the "valleys" where the air gap is large.
  • the structure has a symmetry of revolution, with flow returns advantageously arranged in alignment with each of the sectors, which completely eliminates the harmful asymmetries of the magnetic field associated with conventional designs.
  • the design of the cyclotron according to the invention makes it possible to house the vertical beam accelerator electrodes as well as the final stage of the power amplifier directly in the "valleys".
  • the electrode plate is inductively coupled to the cyclotron cavity. The stability of the system is only improved.
  • Conventional cyclotrons also use assemblies of the acceleration electrodes on a vertical beam resonating at half wavelength. These cavities are generally excited from a high frequency power generator, located at a certain distance.
  • Accessory devices such as the outlet conduits, the cyclotron support, the vacuum pumps, are mentioned by way of illustration but are not specific to the cyclotron according to the invention.
  • identical references represent identical or analogous elements.
  • the magnetic structure of the cyclotron has a symmetry with respect to the plane in which the particles are accelerated, called "median plane" 17, for example placed horizontally and with respect to an axis 26 perpendicular to this plane.
  • This magnetic structure consists of a number of elements made of ferromagnetic material (3, 5, 11, 13, 13 ') and a pair of coils made of a conductive material (21, 23).
  • the coils 21 and 23 are essentially circular in shape and are located in the annular space left between the sectors 13 and 13 'and the flow returns 11.
  • these coils have a large section, which results in a low current density. and therefore a low electrical power dissipated to produce the magnetic field.
  • the angular spaces 15 and 15 ', located respectively between the sectors 13 and 13', are called "valleys".
  • the air gap is important, that is to say of very large dimension compared to that of the air gap of the hills because it extends from the upper cylinder head 3 to the cylinder head lower 5. This air gap is, for example, on the order of 30 times greater than the air gap 19.
  • the magnetic flux in the valleys is essentially zero.
  • the central duct 25 is intended to receive, at least in part, the source of particles to be accelerated which are injected into the center of the device by means known per se.
  • the angle of a sector is advantageously of the order of 54 °.
  • a cyclotron according to the invention advantageously comprises the final stages of two high frequency power amplifiers 27 inductively coupled by a loop to the acceleration electrodes 28 with vertical beam 29, which are housed in the "valleys" between the sectors 13, 13 '.
  • the vacuum chamber (31) can advantageously be very simple. It consists of a ring of non-magnetic material, extending from the upper yoke 3 to the lower yoke 5 in the space left between the sectors 13, 13 'and the coils 21, 23.
  • the air gap in the hills is 3 cm and the magnetic field 1.8 T (18 kGs) , while in the valleys the air gap is 106 cm and the magnetic field 0.04 T (0.4 kGs).
  • the number of ampere turns required is 33,000 At per coil, which, with a current density of 50 A / cm 2 in the coils gives a consumed power of 7 kW for the cyclotron according to the invention against 100 kW for a normal cyclotron.

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Abstract

Cyclotrons non supraconducteurs. Selon l'invention un tel cyclotron (1) comporte un circuit magnétique constitué par au moins trois secteurs (13, 13') appelés ''collines'', où l'entrefer (19) est réduit à une dimension voisine de celle du faisceau accéléré et où le flux magnétique est essentiellement concentré, séparés par des espacements (15) en forme de secteurs appelés ''vallées'' où l'entrefer est de dimension très grande, pour que le flux magnétique soit essentiellement nul et par une seule paire de bobines (2) essentiellement circulaire entourant essentiellement les collines (13, 13') et les vallées (15, 15'). Cette forme d'exécution, permet des économies d'énergie importantes, la puissance consommée pouvant être réduite par exemple à 100 kW pour un cyclotron non supraconducteur normal à 7 kW dans la forme d'exécution selon l'invention.

Description

  • La présente invention est relative à un cyclotron classique de conception nouvelle qui permet de réduire de manière sensible les besoins en énergie.
  • Les cyclotrons connus sont de deux types: les cyclotrons utilisant des bobinages supraconducteurs (cyclotrons supraconducteurs) et les cyclotrons utilisant des bobinages non supraconducteurs (cyclotrons classiques).
  • Les cyclotrons supraconducteurs n'utilisent pas de puissance électrique pour entretenir le champ magnétique nécessaire à l'accélération des particules. Toutefois, la technologie des bobines supraconductrices et de la cryogénie associée restent complexes et coûteuses. De plus, ces bobines requirèrent de l'hélium liquide comme fluide réfrigérant. Ces considérations restreignent fortement l'usage des cyclotrons supraconducteurs.
  • Par contre, 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 classiques dits "compacts" 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 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 connaît également des cyclotrons classiques dits "à secteurs séparés", dans lesquels la structure magnétique est divisée en unités séparées, entièrement autonomes, en forme de secteurs. Dans les espaces libres laissés entre ces "secteurs séparés" on a installé les dispositifs d'accélération. Dès lors, l'entrefer des secteurs magnétiques peut être réduit et, par conséquent, le nombre d'ampères/tour requis pour produire le champ magnétique est moins important.
  • Toutefois, ces cyclotrons présentent une série d'inconvénients. Tout d'abord chaque secteur séparé est équipé d'une paire de bobines. Ces bobines sont de forme complexe (en forme de secteur) et, pour dégager l'espace libre entre les secteurs, elles doivent être de section minimale.
  • Ceci entraîne que la densité de courant doit être élevée dans ces bobines et, en conséquence, la puissance électrique requise pour produire le champ magnétique reste élevée bien que le nombre d'ampères/tour soit plus faible.
  • Enfin, les secteurs étant mécaniquement indépendants, la conception mécanique du cyclotron en notamment de la boîte à vide est complexe et coûteuse.
  • Un cyclotron classique du type compact correspondant au préambule de la revendication 1 est connu de la Demande de Brevet français FR-A-2 176 485.
  • Le but de la présente invention est de fournir un nouveau type de cyclotron non supraconducteur où la puissance électrique requise pour produire le champ magnétique est beaucoup plus faible que dans les cyclotrons classiques précités à savoir le cyclotron "compact" et le cyclotron "à secteurs séparés".
  • Ce but peut être atteint par un cyclotron selon la revendication 1, comportant une structure magnétique nouvelle où l'on trouve un faible entrefer, ce qui réduit le nombre d'ampères/tour requis, mais aussi une paire de bobines essentiellement circulaires et avantageusement de section importante, ce qui permet de diminuer la densité de courant et donc la puissance électrique requise pour produire le nombre d'ampères/tour requis.
  • Un autre but de l'invention est d'éviter dans la nouvelle structure la complexité mécanique inhérente aux cyclotrons dits "à secteurs séparés".
  • Cette nouvelle structure propre au cyclotron classique selon l'invention est caractérisée par ce qu'elle comporte au moins trois secteurs appelés "collines" où l'entrefer est réduit à une dimension voisine de celle du faisceau accéléré et où le flux magnétique est essentiellement concentré, séparés par des espacements en forme de secteur dénommés "vallées", où l'entrefer est de dimension très grande (par exemple, mais de façon non limitative, où l'entrefer est de l'ordre de 30 fois supérieur à celui des collines), pour que le flux magnétique soit essentiellement nul et par une seule paire de bobines essentiellement circulaires entourant essentiellement les "collines" et les "vallées", des retours de flux étant avantageusement disposés à l'extérieur de la bobine en face des "collines", en vue de la fermeture du circuit magnétique.
  • Une autre caractéristique avantageuse du cyclotron selon l'invention est que les secteurs appelés "collines" sont assemblés de façon rigide sur deux plaques appelées "culasse" formant couvercles pour la boîte à vide et canalisant le flux magnétique vers les retours de flux précités.
  • Selon l'invention, le cyclotron comporte de préférence 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 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 l'énergie consommée.
  • Un autre avantage du cyclotron selon le principe de conception de l'invention, réside dans la simplicité des bobines qui fournissent le champ d'induction magnétique.
  • Des géométries présentant des similitudes ont déjà été décrites pour des cyclotrons supraconducteurs par les documents US-A-3 925 676; FR-A-2 234 733; IEEE Transactions on Nuclear Science Vol. NS-30 (1983) Aug., No. 4, Part 1, New York, USA p 2126-2128 E. Acerbi; et Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, vol. 220 (1984) Febr., No. 1, Amsterdam, Netherlands, p 186-193 U. Trinks.
  • Toutefois la similitude entre les cyclotrons supraconducteurs cités ci-dessus et le cyclotron non supraconducteur selon l'invention est limitée à la géométrie. Le fonctionnement magnétique est fondamentalement différent.
  • Pour obtenir un faible nombre d'ampères/tour dans le cyclotron selon l'invention, le flux magnétique est concentré dans les "collines" où l'entrefer est minimum et essentiellement nul dans les "vallées" où l'entrefer est grand.
  • Dans les cyclotrons supraconducteurs de géométrie similaire, au contraire l'acier est complètement saturé et le flux magnétique est très élevé dans les "vallées" comme dans les "collines" (voir ref. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, vol. 220 (1984) Febr., No. 1, page 187, tableau 1) et l'effet recherchée à savoir réduire le nombre d'ampère tours n'est pas atteint.
  • Par ailleurs, contrairement aux cyclotrons classiques existants, la structure a une symétrie de révolution, avec des retours de flux disposés avantageusement dans l'alignement de chacun des secteurs, ce qui élimine complètement les dissymétries néfastes du champ magnétique associées aux conceptions 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'amplificateur de puissance directement dans les "vallées". Avantageusement, la plaque de l'électrode est couplée inductivement à la cavité du cyclotron. La stabilité du système n'en est qu'améliorée.
  • Bien qu'un tel couplage inductif ait déjà été 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 poutre 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 classiques, 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'impédance shunt apparente de la cavité est diminuée, et le système de couplage est désaccordé, 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 clairement dans la description qui suit accompagnée dans figures dans lesquelles:
    • la figure 1 représente une coupe schématique selon le plan médian d'un cyclotron selon l'invention; et
    • la figure 2 représente une coupe selon la ligne II-II de la figure 1.
  • Il est bien évident que la présente description n'est donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne vise pas à limiter la portée de la présente invention.
  • Des dispositifs accessoires tels que les conduits de sortie, le support du cyclotron, les pompes à vide, sont mentionnés à titre d'illustration mais ne sont pas spécifiques au cyclotron selon l'invention. Dans les figures, des repères identiques représentent des éléments identiques ou analogues.
  • La structure magnétique du cyclotron présente une symétrie par rapport au plan dans lequel les particules sont accélérées, dit "plan médian" 17, par exemple placé horizontalement et par rapport à un axe 26 perpendiculaire à ce plan.
  • Cette structure magnétique se compose d'un certain nombre d'éléments réalisés dans un matériau ferromagnétique (3, 5, 11, 13, 13') et d'une paire de bobines réalisées dans un matériau conducteur (21, 23).
  • La structure ferromagnétique se compose de:
    • 1) Deux plaques de base 3 et 5, appelées culasses, par exemple en forme de disques situées essentiellement de façon coaxiale par rapport à l'axe 26, parallèle et symétrique par rapport au plan médian 17, l'une étant au-dessus du plan médian, l'autre étant en-dessous de celui-ci.
    • 2) D'au moins trois secteurs supérieurs 13 et d'un nombre égal de secteurs inférieurs 13' situés l'un en face de l'autre symétriquement par rapport au plan médian 17, séparés par un entrefer 19 minimum, c'est-à-dire réduit à une dimension voisine de la dimension axiale du faisceau accéléré et juste suffisant pour le passage du faisceau de particules, le flux magnétique étant de cette manière essentiellement concentré à cet endroit. Les secteurs 13 et 13' sont fixés rigidement à la culasse supérieure 3 et inférieure 5 et sont appelés collines.
    • 3) D'au moins trois retours de flux 11 réunissent de façon rigide la culasse inférieure 3 et supérieure 5, situés à l'extérieur, en face des secteurs 13 et 13' et séparés de ceux-ci par un espace de forme annulaire dans lequel est située la paire de bobines 21, 23. Outre la fonction mécanique précitée, ces "retours de flux" 11 assurent le retour du flux magnétique tout en laissant accessibles les espaces angulaires 15 et 15' situés entre les collines.
  • Les bobines 21 et 23 sont de forme essentiellement circulaires et sont localisées dans l'espace annulaire laissé entre les secteurs 13 et 13' et les retours de flux 11. Avantageusement, ces bobines ont une section importante, ce qui entraîne une faible densité de courant et donc une faible puissance électrique dissipée pour produire le champ magnétique.
  • Les espaces angulaires 15 et 15', situés respectivement entre les secteurs 13 et 13', sont appelés "vallées". L'entrefer y est important, c'est-à-dire de dimension très grande par rapport à celle de l'entrefer des collines car il s'étend de la culasse supérieure 3 à la culasse inférieure 5. Cet entrefer y est, par exemple, de l'ordre de 30 fois supérieur à l'entrefer 19. Le flux magnétique dans les vallées est essentiellement nul.
  • Les divers éléments constitutifs sont assemblés par des moyens connus en soi comme des boulons.
  • 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 secteurs ou à quatre "collines", l'angle d'un secteur est avantageusement de l'ordre de 54°.
  • Un cyclotron selon l'invention comporte avantageusement les étages finals de deux amplificateurs de puissance à haute fréquence 27 couplés inductivement par une boucle aux électrodes d'accélération 28 à poutre verticale 29, qui sont logés dans les "vallées" entre les secteurs 13, 13'.
  • Dans le cyclotron selon l'invention, la chambre à vide (31) peut avantageusement être très simple. Elle se compose d'un anneau en matériau non magnétique, s'étendant de la culasse supérieure 3 à la culasse inférieure 5 dans l'espace laissé entre les secteurs 13, 13' et les bobines 21, 23.
  • On notera l'avantage de la simplicité d'une paire de grosses bobines et de l'entrefer reduit à un minimum, qui permet d'obtenir des économies d'énergie importantes.
  • À titre d'exemple, on peut mentionner que, dans le cas d'un cyclotron d'une énergie de l'ordre de 30 MeV, l'entrefer dans les collines est de 3 cm et le champ magnétique 1.8 T (18 kGs), tandis que dans les vallées l'entrefer est de 106 cm et le champ magnétique 0.04 T (0,4 kGs). Dans ce cas le nombre d'ampère tours requis est de 33.000 At par bobine, ce qui, avec une densité de courant de 50 A/cm2 dans les bobines donne une puissance consommée de 7 kW pour le cyclotron selon l'invention contre 100 kW pour un cyclotron normal.
  • Notons par exemple que pour un cyclotron supraconducteur selon US-A-3 925 676, le nombre d'ampère tours requis est de 1,8 106 At par bobine (col. 4, ligne 33 à 43).

Claims (8)

1. Cyclotron non supraconducteur du type compact destiné à l'accélération d'un faisceau de particles, cyclotron comportant une structure magnétique qui présente une symétrie par rapport à un plan médian (17) dans lequel les particules sont accélérées au moyen d'électrodes d'accélération (28) et par rapport à un axe (26) perpendiculaire à ce plan;
ladite structure magnétique comportant:
deux plaques de base (3, 5) situées essentiellement de façon coaxiale par rapport à l'axe (26) parallèle et symétrique par rapport au plan médian (17), l'une (3) étant au-dessus du plan médian, l'autre (5) étant en dessous de celui-ci;
au moins trois secteurs supérieurs (13) et un nombre égal de secteurs inférieurs (13') fixés rigidement aux plaques respectives (3, 5) et situés l'un en face de l'autre symétriquement par rapport au plan médian (17) et séparés axialement, les secteurs opposés étant disposés symétriquement par rapport à l'axe (26) de manière à définir des régions alternées appelées "collines" (13, 13') et vallées (15, 15'), la séparation axiale des secteurs (13, 13') définissant un entrefer (19) des collines et celle des plaques de base (3, 5) définissant un entrefer des vallées;
des retours de flux (11) réunissant de façon rigide les plaques de base (3, 5);
les plaques de base (3, 5), les secteurs (13, 13') et les retours de flux (11) étant réalisés dans des matériaux ferromagnétiques;
et une paire de bobines (21, 23) essentiellement circulaire entourant essentiellement les collines (13, 13') et les vallées (15, 15');
lequel cyclotron est caractérisé en ce que
l'entrefer (19) des collines est réduit à une dimension voisine de la dimension axiale du faisceau accéléré et en ce que le flux magnétique y est essentiellement concentré, tandis que l'entrefer des vallées est de dimension très grande par rapport à celle de l'entrefer des collines, pour que le flux magnétique dans les vallées soit essentiellement nul.
2. Cyclotron selon la revendication 1 caractérisé en ce que les secteurs appelés "collines" sont rigidement fixés à une pièce unique en matériau ferromagnétique.
3. Cyclotron selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'entrefer des vallées (15, 15') est de l'ordre de 30 fois supérieure à l'entrefer (19) des collines (13, 13').
4. Cyclotron selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte des retours de flux agencés (11) à l'extérieur de la paire de bobines annulaires (21, 23), en face des collines (13, 13'), pour former le circuit magnétique.
5. Cyclotron selon la revendication 1 caractérisé en ce que les secteurs (13, 13') dénommés collines présentent un angle de l'ordre de 54°.
6. Cyclotron selon la revendication 1 caractérisé en ce que les électrodes d'accélération (28) sont logées dans les vallées (15, 15').
7. Cyclotron selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'étage final d'un amplificateur de puissance (27) est monté dans les vallées (15, 15').
8. Cyclotron selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'étage final d'un amplificateur de puissance (27) est couplé inductivement aux électrodes d'accélération (28).
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