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Accélérateur de particules
La présente invention concerne les accélérateurs de particules et plus
particulièrement, mais non exclusivement, ceux destinés à délivrer un faisceau
d'intensité
relativement élevée, par exemple supérieure ou égale à 5 mA, de particules
hautement
énergétiques.
On connait par l' article CYCLOTRONS IN RADIOTHERAPY, publié dans
CERN ACCELERATOR SCHOOL, CYCLOTRONS, L1NACS AND THEIR
APPLICATIONS, GENEVA 96, suite au séminaire ayant eu lieu en Belgique du 2i~
avril
au 5 mai 1994, un accélérateur comportant deux cyclotrons disposés côte-à-
côte, le
premier étant agencé pour accélérer des ions H- et le deuxième, encore appelé
« booster »,
des protons H+ après passage d'un faisceau de particules neutres H°
issues du premier
cyclotron au travers d'un éplucheur électronique. Un tel accélérateur est
relativement
complexe et encombrant.
L'invention a pour objet un nouvel accélérateur de particules, comportant au
moins
- un premier cyclotron,
- un deuxième cyclotron, entourant le premier, et configuré pour accélérer
des particules issues du premier cyclotron.
L'invention permet de bénéficier d'un accélérateur fiable et capable de
générer un faisceau intense de particules d'énergie élevée. Du fait de la
disposition des
deux cyclotrons l'un autour de l'autre, l'encombrement est réduit et
l'injection des
particules chargées accélérées par le premier cyclotron dans le deuxième
cyclotron est
simplifiée. En particulier, les plans médians des premier et deuxième
cyclotrons peuvent
être sensiblement coplanaires, de telle sorte que les particules accélérées
quittant le
premier cyclotron n'ont pas à être déviées verticalement avant d'être
injectées dans le
deuxième cyclotron, ce qui peut permettre de faire l'économie de déflecteurs
magnétiques et/ou électrostatiques et de réduire les pertes et les risques
d'activation des
équipements. Enfin, le trajet entre les deux cyclotrons peut être relativement
court, de
sorte que les problèmes de charge d'espace sont moindres.
Le premier cyclotron peut être du type compact, par opposition à un cyclotron
du type à secteurs séparés. Le deuxième cyclotron peut être du type à secteurs
séparés.
Par « cyclotron de type compact », il faut comprendre un cyclotron
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comportant au moins une bobine circulaire associée à l'ensemble de sa
structure
magnétique. Par « cyclotron à secteurs séparés », il faut comprendre un
cyclotron
comportant une pluralité de secteurs magnétiques autonomes. On pourra se
référer à la
publication précitée, dont le contenu est incorporé par référence.
Le premier cyclotron peut être supraconducteur ou non.
Selon un aspect de l'invention, les faisceaux de particules délivrés par les
premier et deuxième cyclotrons comportent des particules de natures
différentes.
Ainsi, dans un exemple de mise en oeuvre, le faisceau délivré par le premier
cyclotron comporte des ions moléculaires, par exemple des ions H~+ ou H3~.
L'accélérateur peut comporter un éplucheur et le faisceau accéléré par le
deuxième
cyclotron peut être généré en interceptant le faisceau de particules délivré
par le premier
cyclotron avec l'éplucheur. Le faisceau délivré par le deuxième cyclotron peut
être
constitué de protons H+.
On entend par « éplucheur », encore appelé « stripper », un dispositif
comportant une feuille à travers laquelle on fait passer un faisceau de
particules, cette
feuille étant réalisëe dans un matériau apte à « retenir » certaines
particules élémentaires,
par exemple des électrons é et à laisser passer les autres. L' éplucheur peut
comporter, par
exemple, une mince feuille de carbone.
Dans un mode de mise en oeuvre de l'invention, l'éplucheur est un éplucheur
électronique permettant de retenir des électrons appartenant aux ions
moléculaires du
faisceau délivré par le premier cyclotron, afin de générer les protons H+
constitutifs du
faisceau délivré par le deuxième cyclotron.
Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, l'éplucheur se situe à
l'intérieur du deuxième cyclotron, dans l'entrefer d'un secteur magnétique.
L'accélérateur peut comporter une ligne d'injection axiale associée d'une part
à une source d'ions, par exemple des ions H~+ ou H3~ et d'autre part au
premier cyclotron.
Selon un aspect de l'invention, l'accélérateur comporte un dispositif de
contrôle apte à mesurer l'intensité du courant électrique délivré par
l'éplucheur et à
commander, en fonction de ce courant et d'une valeur de consigne, un
actionneur apte à
modifier l'intensité du premier faisceau de particules accélérées délivré par
le premier
cyclotron.
L'actionneur peut comporter, par exemple, au moins un dispositif de
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commande d'un groupeur HF, encore appelé « buncher », apte à agir sur le
regroupement
dans l'espace des particules injectées dans le premier cyclotron, ce groupeur
pouvant
appartenir à la ligne d'injection axiale précitée.
Le premier cyclotron peut être configuré de telle sotie que Ies particules
accélérées effectuent un nombre de touas compris par exemple entre 10 et 30
avant de
quitter celui-ci. Le nombre de tours effectué dans le premier cyclotron peut
ainsi être
relativement faible, de sorte que l'écart mesuré selon un rayon entre les
différentes
orbites des particules peut être suffisamment grand pour permettre une
extraction
relativement facile du faisceau sur l'orbite finale. Le faisceau de particules
accéléré par le
premier cyclotron peut ainsi quitter celui-ci sans avoir à traverser un
éplucheur.
L'invention a encore pour objet l'utilisation d'un accélérateur tel que défini
plus haut pour alimenter un système piloté par accélérateur, encore appelé
ADS,
notamment
- un amplificateur d'énergie,
- un réacteur nucléaire sous critique, ou
- un transmuteur de déchets nucléaires.
L' invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description
détaillëe
qui va suivre, d'un exemple de mise en oeuvre non limitatif, et à l'examen du
dessin
annexé, sur lequel
- la figure 1 est une vue schématique et partielle, en coupe axiale,
illustrant
un exemple de mise en oeuvre de l'invention,
- la figure 2 représente isolément, en perspective schématique et partielle
avec arrachement, le premier cyclotron,
- la figure 3 est une vue schématique et partielle, de dessus, du deuxième
cyclotron, et
- la figure 4 est un schéma en blocs illustrant la régulation de l'intensité
du
faisceau délivré par l'accélérateur.
On a représenté sur la figure 1 un accélérateur 1 comportant un premier
cyclotron 10 et un deuxième cyclotron 20 disposé autour du premier, par
exemple coaxial
à celui-ci, et servant de booster.
Le premier cyclotron 10, du type compact et isochrone, est représenté
isolément sur la figure 2. Ce cyclotron est dans l'exemple décrit
supraconducteur et
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comporte, à l'intérieur d'une enceinte cryogénique 11, au moins une bobine
circulaire 12,
représentée avec arrachement sur la figure 2. Cette bobine 12 est configurée
pour générer
un champ magnétique dans une structure magnétique fermée, encore appelée «
yoke »,
comportant des pôles sur lesquels sont installés des secteurs 13 spiralés ou
radiaux et
réalisés dans un matériau perméable au champ magnétique, de façon connue en
soi.
Des cavités résonnantes 14 sont disposées entre les secteurs magnétiques 13,
également de manière connue en soi, pour accélérer les particules sous l'effet
d'un champ
électrique radiofréquence, par exemple de fréquence voisine de 70 MHz.
Le premier cyclotron 10 est associé à une source d'ions 15, par exemple une
source d'ions moléculaires Ha+ et à une ligne d'injection axiale 16 permettant
de diriger
les ions émis par la source 15 vers une région centrale du cyclotron à partir
de laquelle les
particules vont être accélérëes en suivant une trajectoire sensiblement en
forme de spirale.
Le deuxième cyclotron 20 est du type isochrone à secteurs séparés et
comporte une pluralité de secteurs magnétiques 21 alternant avec des cavités
radiofréquence 22 disposées de manière à accélérer les particules entre deux
secteurs
magnétiques 21.
Les deux cyclotrons 10 et 20 sont reliés par un conduit 31 dans lequel, dans
l'exemple considéré, règne le même vide que dans les deux cyclotrons.
Chaque secteur 21 est autonome sur le plan magnétique, c'est-à-dire
comporte ses propres moyens permettant de générer le champ magnétique, par
exemple
une bobine 23.
Un éplucheur électronique 24 comportant une mince feuille de carbone, par
exemple ayant une épaisseur de l'ordre de 100 nm, est disposé dans l'entrefer
de l'un des
secteurs magnétiques 21, à proximité de son extrémité radialement la plus
intérieure.
Cet éplucheur 24 permet d'arracher des électrons è du faisceau incident.
Ainsi dans l'exemple considéré, les ions moléculaires H2+ sont transformés à
la traversée
de l'éplucheur 24 en un faisceau de protons H+.
L'éplucheur 24 est isolé électriquement de manière à permettre une lecture du
courant électrique collecté. Dans l'exemple illustré, ce courant est mesuré
par un
dispositif de contrôle 30 agencé pour commander un actionneur 18 permettant de
modifier l'intensité du faisceau de particules accélérées émis par le premier
cyclotron. Le
dispositif de contrôle 30 peut être agencé de manière à commander l'actionneur
18 en
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fonction d'une intensité de consigne I~, ce qui peut permettre de réguler
précisément
l'intensité du faisceau de particules accélérées émis par le deuxième
cyclotron.
L'actionneur 18 peut être constitué, par exemple, par tout dispositif de
commande d'un groupeur HF de la ligne d'injection axiale 16.
5 Le fonctionnement de l'accélérateur 1 est le suivant. Les ions H2+ émis par
la
source 15 sont injectés par la ligne d'injection axiale 16 dans le premier
cyclotron 10 et
sont accélérés suivant le plan médian P du premier cyclotron 10. Ils quittent
celui-ci dans
l'exemple considéré au terme d'un nombre de tours relativement faible, par
exemple
voisin de 25. L'intensité du faisceau de particules H2+ quittant le premier
cyclotron est
par exemple de l'ordre de 5 mA et l'énergie des ions H2+ de l'ordre de 10 à 25
MeV.
Le conduit 31 permet aux particules accélérées par le premier cyclotron
d'atteindre le deuxième cyclotron où elles impactent l'éplucheur 24 et se
transforment en
protons H+ qui vont être accélérés à leur tour dans le plan médian P du
deuxième
cyclotron 20. Ce dernier peut délivrer une intensité qui est, par exemple,
supérieure ou
égale à 10 mA, les protons H+ ayant une énergie supérieure à 10 MeV. La
transformation
des ions H2+ en protons H+ à la traversée de l'éplucheur 24 permet de doubler
l'intensité
du faisceau.
Le dispositif de contrôle 30 permet de réguler l'intensité du faisceau de
protons H+ émis par le deuxième cyclotron et de la maintenir à une valeur,
constante ou
non, fonction de la valeur de consigne IC, cette dernière pouvant être
variable dans le
temps.
L'accélërateur de particules 1 selon l'invention peut trouver de nombreuses
applications et être utilisé notamment en association avec un amplificateur
d'énergie tel
que décrit par exemple dans le brevet européen EP 0 725 967, ou avec un
transmuteur tel
que décrit dans la demande internationale WO 98/59347.
L' invention n' est bien entendu pas limitée à l' exemple qui vient d' être
décrit.
On peut notamment, sans sortir de son cadre, utiliser un cyclotron non
supraconducteur pour pré-accélérer les particules.
La source d'ions peut être autre qu'une source H2+, par exemple une source
H3+ ou H-.
Dans toute la description, y compris les revendications, l'expression
« comportant un » doit être comprise comme signifiant « comportant au moins un
», sauf
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si le contraire est spécifié.
