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WO 2012/010387 PCT/EP2011/060835
CYCLOTRON APTE A ACCÉLÉRER AU MOINS DEUX TYPES DE PARTICULES
DOMAINE TECHNIQUE
[0001] La présente invention se rapporte au domaine des cyclotrons,
et en particulier aux cyclotrons capables d'accélérer plusieurs types de
particules chargées présentant des rapports charge(q)/masse(m) différents,
tels que par exemple des protons (rapport q/rn égal à 1), des particules
alpha (rapport q/rn égal à 1/2) ou des deutons (rapport q/rn également égal à
1/2).
DESCRIPTION DE L'ART ANTÉRIEUR
[0002] On connaît par le document W08606924 un cyclotron. En
référence à la figure 2 de ce document, un tel cyclotron comporte des
électrodes d'accélération 28, communément appelées dés, couplées
chacune à un pilier vertical 29 aussi appelé stem. Ledit dé 28 et ledit pilier
29 sont entourés d'une enceinte conductrice qui, ensemble, constituent une
cavité résonante.
[0003] Les cavités résonantes sont généralement excitées par une
source de puissance RF et le passage successif des particules chargées dans
le gap accélérateur constitué des dés et des secteurs portés à des potentiels
différents produit l'accélération des dites particules. La fréquence de la
tension RF appliquée doit être égale à la - fréquence cyclotron exprimée
par l'équation suivante:
fRFcyc = 2 *11. in
où q est la charge de la particule à accélérer, m sa masse et -É4 le champ
magnétique principal, normal au plan médian de circulation des particules.
Un cyclotron peut également fonctionner en mode harmonique : dans ce cas
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plusieurs oscillations de la tension RF se produisent alors que les particules
circulent encore à l'intérieur du dé.
[0004] Dans le cas de ces cavités connues, on est en présence d'un
résonateur
-4 chargé par la capacité de dé à une extrémité, son autre extrémité étant
court-
circuitée. Le pilier forme une ligne de transmission axiale se comportant
essentiellement comme une inductance destinée à compenser l'impédance
capacitive du dé afin de minimiser la puissance RF réactive. En fonction de la
configuration du cyclotron, les cavités sont disposées asymétriquement ou
symétriquement par rapport au plan médian de circulation des particules. Dans
le
cas d'une topologie asymétrique (figure la de la présente demande), les deux
plaques constituant le dé sont mécaniquement et électriquement solidaires et
constituent un seul ensemble porté par le pilier. Dans le cas d'une topologie
symétrique (figure 1 b de la présente demande), les piliers inférieur et
supérieur
supportent respectivement le demi-dé inférieur et le demi-dé supérieur. Ces
derniers sont reliés électriquement entre eux en quelques endroits de leur
périmètre
dès que le cyclotron est fermé.
[0005] Le dé fait partie d'une cavité résonante 5 tel que
représentée
schématiquement à la figure la. Cette cavité comporte le dé proprement dit 10,
un
pilier cylindrique vertical 20 et une enceinte conductrice 40. La figure lc
représente
un schéma électrique équivalent de la cavité, dans lequel l'inductance L
représente
le pilier 20 et la capacité C est celle formée au niveau de l'espace 30
compris entre
le dé 10 et l'enceinte conductrice 40. La fréquence de résonance propre d'un
tel
circuit LC parallèle est donnée par l'expression :
fo= 2. 717.
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[0006] Afin
de pouvoir accélérer plusieurs types de particules de rapports q/m
différents dans un même cyclotron, le champ /1 étant déterminé, plusieurs
solutions
se présentent :
2a
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a) utiliser des modes harmoniques différents tout en conservant la
fréquence RF identique
b) utiliser le même mode harmonique tout en variant la fréquence RF
La première solution comporte les désavantages suivants:
= une complexité accrue de la région centrale du cyclotron
= à haut courant, des pertes de faisceau à l'intérieur de la machine
provoquant l'activation de pièces mécaniques.
En revanche, la seconde solution présente les avantages suivants:
= un même centrage des particules de masse différentes qui suivront
donc une trajectoire similaire, au moins dans les premiers tours à
basse énergie
= moins de pertes de faisceau réduisant ainsi l'activation des pièces
mécaniques situées à proximité de la trajectoire du faisceau
= un meilleur gain par tour pour les particules de rapport q/rn=1
= un meilleur isochronisme.
[0007] La
mise en oeuvre de cette seconde solution impose de pouvoir
modifier la fréquence de résonance de la cavité constituée par le dé, le
pilier et l'enceinte conductrice. De telles solutions ont été proposées par M.
Eiche et al. (- Dual Frequency resonator system for a compact cyclotron ,
Proc. XIII Intern. Conf. on Cyclotrons and Their Applications, (World
Scientific, Singapore, 1992, p. 515), par P. Lanz et al. ("A dual Frequency
Resonator", Proceedings of the 1993 IEEE Particle Accelerator Conference,
17-20 May 1993, Washington, DC ; 15th IEEE Particle Accelerator
Conference, p.1151), et par Miura lwao et al. (- Accelerating Resonance
Cavity , JP07-066877B, 1995).
Les deux premiers auteurs réalisent le changement de fréquence RF à l'aide
de courts-circuits glissants, actionnés à l'aide de pistons, destinés à
modifier la longueur du résonateur. Le dernier auteur procède au
changement de fréquence RF grâce à des plaques mobiles pivotant de 900
qui modifient la capacité des électrodes et donc la fréquence de résonance.
[0008] Cette
modification de la fréquence de résonance requiert une
structure RF relativement complexe et onéreuse, à laquelle s'ajoutent des
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problèmes de fiabilité. En effet, les dispositifs de l'art antérieur
présentent
certains désavantages listés ci-après :
a. pour les courts-circuits mobiles :
- la taille du piston est en rapport avec celle du court-circuit car
celui-ci exerce une force de friction non négligeable sur les parois
du résonateur ;
- l'usure causée par les mouvements linéaires répétés du court-
circuit lors des changements de fréquence. A terme, la
dégradation de l'état de surface des contacts et/ou de la paroi
sur laquelle ils glissent entraîne l'apparition de points plus
résistifs qui dès lors qu'ils sont parcourus par des courants RF
provoquent un échauffement localisé ;
- la destruction pure et simple du court-circuit lorsque la pression
exercée par celui-ci sur les parois n'est plus suffisante. Le cas
échéant, la résistance de contact étant devenue trop importante
eu égard aux courants RF à transporter entraîne ainsi une
élévation de température qui peut provoquer la fusion des
contacts.
b. pour les plaques mobiles :
- l'axe de rotation des plaques nécessite la traversée de la partie
sous vide du cyclotron afin d'assurer sa connexion sur le piston ou
sur le moteur qui l'entraîne. Si ces derniers étaient contenus dans
le vide, il faudrait néanmoins les alimenter électriquement ce qui
nécessite quand même une traversée de câble vers l'extérieur.
- le facteur de qualité de la cavité dans la fréquence basse est
assez mauvais dû aux courants RF importants passant dans cette
capacité mobile. La stabilité en fréquence peut également être
problématique.
RESUME DE L'INVENTION
[0009] La
présente invention a pour but de résoudre au moins
partiellement les difficultés précitées.
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[0010] Selon un premier aspect, la présente invention concerne une
cavité
résonante pour l'accélération de particules chargées dans un cyclotron,
comprenant
un dé, un pilier et une enceinte conductrice englobant au moins partiellement
ledit
pilier et ledit dé, une extrémité dudit pilier supportant le dé, l'enceinte
conductrice et
le pilier formant ainsi une ligne de transmission, une extrémité opposée dudit
pilier
étant solidaire d'une base de l'enceinte conductrice, caractérisée en ce
qu'une
capacité linéique d'une portion intermédiaire de ladite ligne de transmission
située
entre lesdites extrémités du pilier est plus grande qu'une capacité linéique
des
autres portions de ladite ligne de transmission.
Lorsqu'on dit que qu'une extrémité opposée du pilier est solidaire d'une base
de
l'enceinte conductrice, il faut comprendre que ladite extrémité opposée du
pilier est
mécaniquement fixée et électriquement reliée de manière fixe à la base de
l'enceinte. Le pilier présente ainsi une longueur physique fixe entre ses deux
extrémités.
Étant donné que l'enceinte conductrice a également une longueur physique fixe,
la
ligne de transmission formée par l'enceinte et le pilier possède une longueur
fixe et
donc une inductance fixe.
Une telle configuration permet de faire résonner la cavité selon deux modes
différents, par exemple un mode - et un mode ¨32. , produisant ainsi deux
fréquences
4 4
RF distinctes, sans devoir faire usage d'éléments mobiles tels que par exemple
des
courts-circuits glissants ou des plaques mobiles, ce qui résout bon nombre des
problèmes évoqués précédemment.
[0011] De préférence, la capacité linéique de la portion
intermédiaire de la ligne
de transmission est plus grande que deux fois la capacité linéique d'une autre
portion de ladite ligne de transmission. De manière plus préférée, la capacité
linéique de la portion intermédiaire de la ligne de transmission est plus
grande que
5
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. .
dix fois la capacité linéique d'une autre portion de ladite ligne de
transmission.
[0012] De manière encore plus préférée, l'impédance
caractéristique de la
portion intermédiaire et les impédances caractéristiques des autres portions
de la
ligne de transmission sont telles que la cavité est apte à résonner selon deux
modes pour produire deux fréquences distinctes dans un rapport
substantiellement
double.
Par substantiellement double, il faut comprendre un rapport de fréquences se
situant entre 1,7 et 2,3.
Une telle cavité permet en effet d'accélérer, dans un même cyclotron, des
particules
ayant des valeurs de q/m dans un rapport de deux, tel que par exemple des
protons
et des particules alpha ou des protons et des deutons.
[0013] De manière encore plus préférée, le pilier comporte
plusieurs cylindres
superposés, un de ces cylindres correspondant à ladite portion intermédiaire
de la
ligne de transmission et possédant un diamètre moyen substantiellement
supérieur
au diamètre moyen d'un des autres cylindres. Alternativement ou conjointement,
l'enceinte conductrice comporte plusieurs cylindres creux superposés, un de
ces
cylindres creux correspondant à ladite portion intermédiaire de la ligne de
transmission et possédant un diamètre moyen substantiellement inférieur au
diamètre moyen d'un des autres cylindres creux. Une telle configuration
cylindrique
du pilier et/ou de l'enceinte conductrice permet en effet d'obtenir une bonne
rigidité
mécanique de l'ensemble, de faciliter sa construction et d'assurer une bonne
répartition des équipotentielles du champ électrique depuis le pilier.
[0014] Selon un second aspect, l'invention concerne une méthode
de
conception d'une cavité résonante bi-fréquente telle que décrite dans la
présente
demande, la méthode de conception comprenant les étapes suivantes :
- calculer la capacité linéique du pilier d'une cavité dont le pilier et
l'enceinte
conductrice présentent une section constante, permettant de déduire
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l'impédance caractéristique de la ligne de transmission ainsi formée par ledit
pilier et l'enceinte conductrice;
- calculer l'impédance caractéristique pour différents diamètres de pilier;
- déterminer un diamètre extérieur moyen équivalent de l'enceinte
conductrice;
- procéder à une simulation électromagnétique 2D de la cavité en s'appuyant
sur les dimensions trouvées précédemment et déterminer le diamètre d'un dé
équivalent, de forme circulaire, produisant la même fréquence de résonance
que ladite cavité dont le pilier et l'enceinte conductrice présentent une
section
constante;
- calculer des paramètres intrinsèques de la cavité et comparer lesdits
paramètres intrinsèques avec des valeurs mesurées; et
- caractériser, à l'aide d'une simulation radiofréquence, différentes
portions de
ligne constituant le pilier d'une cavité dont on exploite deux modes résonants
produisant deux fréquences distinctes.
6a
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[0015] Ces aspects ainsi que d'autres aspects de l'invention seront
clarifiés dans la description détaillée de modes de réalisation particuliers
de
l'invention.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
[0016] Les figures sont données à titre indicatif et ne constituent
pas
de limitation de la présente invention. Par ailleurs, les proportions des
dessins ne sont pas respectées. Des composants identiques ou analogues
sont généralement désignés par les mêmes numéros de référence parmi
l'ensemble des figures.
[0017] La figure la représente une coupe d'une cavité résonante
asymétrique d'un cyclotron de l'art antérieur ;
[0018] La figure lb représente une coupe d'une cavité résonante
symétrique d'un cyclotron de l'art antérieur ;
[0019] La figure 1 c représente un schéma électrique équivalent
simplifié de la cavité résonante de la figure la ou lb ;
[0020] La figure 2a représente schématiquement une coupe d'une
cavité selon l'invention avec indication de la circulation du courant et du
champ magnétique lors de la résonance à la fréquence basse ;
[0021] La figure 2b représente l'évolution de la tension et du courant
le long du pilier lors du fonctionnement de la cavité de la figure 2a en mode
A
;
[0022] La figure 2c représente un schéma électrique équivalent
simplifié de la cavité résonante de la figure 2a ;
[0023] La figure 3a représente schématiquement une coupe d'une
cavité résonante selon l'invention avec indication de la circulation des
courants et des champs magnétiques lors de la résonance à la fréquence
haute ;
[0024] La figure 3b représente l'évolution de la tension et du
courant
le long du pilier lors du fonctionnement de la cavité de la figure 3a en mode
4 ;
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[0025] La figure 3c représente un schéma électrique équivalent
simplifié de la cavité résonante de la figure 3a ;
[0026] La figure 4a représente une forme géométrique réelle et une
répartition des équipotentielles d'un champ électrique statique d'une
cavité de l'art antérieur ;
[0027] La figure 4b schématise une cavité de l'art antérieur sous
forme d'une ligne de transmission coaxiale dont l'impédance
caractéristique est fonction des diamètres d et D ;
[0028] La figure 5 représente un graphe illustrant la puissance
dissipée dans une cavité résonante suivant l'invention pour chacune des
deux fréquences de résonance en fonction de la valeur de la capacité de la
portion de ligne à basse impédance caractéristique ;
[0029] La figure 6a représente un diagramme d'impédance d'un pilier
dans un mode de réalisation de l'invention ;
[0030] La figure 6b représente schématiquement une coupe de la
cavité suivant l'invention, à mettre en rapport avec le diagramme
d'impédance de la figure 6a ;
[0031] La figure 7 représente une coupe d'un cyclotron bi-fréquence
équipé de quatre cavités selon l'invention ;
[0032] La figure 8 représente schématiquement un graphe montrant
les deux fréquences distinctes dans un rapport double obtenues par
balayage en fréquence d'une cavité selon l'invention.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES DE RÉALISATION
[0033] La figure 2a représente schématiquement un exemple de
réalisation d'une cavité bi-fréquence selon l'invention. Il s'agit ici d'une
cavité symétrique par rapport au plan médian du cyclotron (représenté par
une ligne pointillée mixte sur la figure), mais il est évident qu'une cavité
asymétrique conviendrait également.
La cavité 6 comporte deux demi-dés 10 et 10' reliés ensemble
électriquement et entre lesquels circuleront les particules à accélérer, deux
piliers comportant chacun trois portions 20a, 20b et 20c (20a', 20b' et
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20c'), et deux enceintes conductrices 40 et 40' entourant le tout. Les
enceintes ont une section transversale qui, dans cet exemple, est
substantiellement constante sur la hauteur des piliers. Chaque pilier
supporte respectivement un demi-dé à une extrémité, les extrémités
opposées étant respectivement connectées mécaniquement et
électriquement de manière fixe aux bases 45 et 45' des enceintes
conductrices 40 et 40' pour y constituer un court-circuit du point de vue
radiofréquence. L'extrémité d'un pilier sera par exemple soudée, vissée ou
boulonnée à la base de son enceinte conductrice. Alternativement, le pilier
et la base de son enceinte conductrice pourront par exemple ne former
qu'une seule pièce. Chaque pilier présente donc une longueur fixe entre ses
deux extrémités.
Les différentes portions du pilier sont superposées et de préférence alignées
suivant un même axe. Lesdites portions sont constituées, dans cet exemple,
de tubes cylindriques de différents diamètres dont des exemples de
dimensions seront donnés ci-après lorsque sera décrite une méthode de
conception d'une cavité selon l'invention. Le diamètre de la portion
intermédiaire 20b est substantiellement plus grand que le diamètre des
deux autres portions 20a et 20c, de sorte que la capacité linéique (en Farad
par mètre) de cette portion intermédiaire 20b est substantiellement plus
grande que la capacité linéique des deux autres portions 20a et 20c. En
conséquence, la portion intermédiaire 20b aura un comportement
essentiellement capacitif alors que les autres portions 20a et 20c auront un
comportement essentiellement inductif, dans la gamme de fréquences de
fonctionnement de la cavité (qui se situe dans les mégahertz).
Un schéma électrique équivalent simplifié d'une telle cavité est présenté à
la figure 2c.
[0034] Un premier type de fonctionnement est obtenu en excitant la
A
cavité en mode i (A étant la longueur d'onde), ce qui permet d'obtenir
une première fréquence de résonance (ci-après - la fréquence de résonance
basse , par exemple 33 MHz).
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La figure 2b représente l'évolution de la tension (Ux) et du courant (lx) dans
ce mode en fonction d'une position axiale x le long du pilier. La tension est
maximale au niveau du dé tandis que le courant correspondant y est nul ou
très faible. Cela s'inverse lorsqu'on se ramène au pied du pilier. Cette
configuration de tension convient particulièrement bien pour accélérer des
particules évoluant dans le plan médian d'un cyclotron.
[0035] Le champ magnétique B est orienté identiquement de part et
d'autre de la portion intermédiaire 20b (ci-après - la ligne à faible
impédance 20b ). Le courant résultant il de ce mode circule axialernent et
se répartit radialernent autour du pilier tel que représenté à la figure 2a.
[0036] Un second type de fonctionnement est illustré à la figure 3a.
La structure physique est identique à celle de la figure 2a mais on excite le
3Å
mode 4 , ce qui permet d'obtenir une deuxième fréquence de résonance
(ci-après - la fréquence de résonance haute , par exemple 66 MHz), plus
élevée que la première fréquence. La figure 3b représente l'évolution de la
tension (Ux) et du courant (lx) dans ce mode et, de manière identique au
premier mode de résonance, la tension est toujours maximale au niveau du
dé tandis que le courant correspondant y est nul ou très faible. Par ailleurs,
le courant s'inverse en un point intermédiaire situé environ à mi-hauteur de
la ligne faible impédance 20b, ce qui a pour effet de diviser l'effet
capacitif
de cette portion de ligne 20b en deux.
[0037] Compte tenu de ce qui précède, le champ magnétique est
en opposition de part et d'autre de ce point intermédiaire. La figure 3c
représente un schéma électrique équivalent simplifié avec la circulation des
courants i2 et i3 respectivement présents dans la partie supérieure et
inférieure de la demi-cavité. Ils se répartissent radialernent autour du
pilier, en opposition par rapport à un plan horizontal virtuel partageant
transversalement la ligne faible impédance 20b, dans lequel ils s'annulent.
[0038] Il apparaîtra évident pour l'homme du métier que bien
d'autres configurations géométriques de la cavité sont possibles, du
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moment qu'une portion intermédiaire de la cavité présente une capacité
linéique substantiellement supérieure à la capacité linéique des autres
portions, de préférence supérieure à deux fois la capacité linéique des
autres portions, de manière encore plus préférée supérieure à dix fois la
capacité linéique des autres portions. On pourrait ainsi alternativement
prévoir un pilier de section constante sur sa hauteur et une enceinte
conductrice présentant une portion intermédiaire de section
substantiellement plus petite que celle des autres portions. On pourrait
aussi prévoir une combinaison de ces deux solutions, à savoir une enceinte
comportant un rétrécissement intermédiaire et un pilier comportant un
élargissement intermédiaire, comme illustré par exemple aux figures 6b et
7, ou toute autre combinaison.
[0039] Une
méthode de calcul permettant la conception et le
dimensionnement d'une structure d'une cavité selon l'invention est fournie
ci-après.
[0040]
Préalablement au calcul de la cavité bi-fréquence suivant
l'invention, une modélisation d'une cavité connue telle que décrite dans le
document W08606924 - c'est-à-dire une cavité dont le pilier et l'enceinte
conductrice présentent une section constante - est réalisée suivant une
méthode décrite ci-après afin de déterminer précisément le diamètre d'un
dé équivalent, supposé circulaire, et l'impédance du pilier d'une telle
cavité connue :
1. calcul de la
capacité linéique du pilier d'une cavité dont le
pilier et l'enceinte conductrice présentent une section constante,
permettant de déduire l'impédance caractéristique de la ligne de
transmission ainsi formée par ledit pilier et l'enceinte conductrice ;
2. calcul de
l'impédance caractéristique pour différents
diamètres de pilier ;
3. détermination
du diamètre extérieur moyen équivalent de
l'enceinte conductrice ;
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4. simulation électromagnétique 2D de la cavité s'appuyant sur
les dimensions trouvées précédemment et détermination du
diamètre d'un dé équivalent, supposé circulaire, produisant la même
fréquence de résonance que ladite cavité de l'art antérieur ;
5. calcul des paramètres intrinsèques de la cavité, tels que le
facteur de qualité Q, la puissance dissipée, l'énergie stockée et
comparaison des résultats avec des valeurs mesurées .
[0041] Détails de l'étape 1
On évalue l'impédance caractéristique du pilier connu, par
exemple à l'aide du programme Tricornp de la société Field Precision LLC.
Ce programme résout le champ électrique par la méthode des éléments
finis.
La figure 4a montre par exemple la répartition des équipotentielles de
champ électrique obtenues en appliquant une tension de 1 V sur un pilier
connu de diamètre d = 90 mm, tandis que l'enceinte conductrice est au
potentiel de la masse. On obtient une énergie stockée de 18,53 pJ/rn.
On obtient ensuite la valeur de la capacité C à partir de l'expression :
cJ,,
2
, ce qui donne C = 37,06 pF/rn dans le cas de l'exemple.
Ensuite, en combinant les deux expressions suivantes:
z,- = et co - __ avec co = vitesse de la lumière,
L ,
.L
l'expression de l'impédance caractéristique Zc peut se réécrire sous la
forme :
¨
c,
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, de laquelle on obtient une valeur de Z, , qui vaut 90,1 ohms dans le cas
de l'exemple.
[0042] Détails de l'étape 2
Le même calcul d'impédance caractéristique est effectué pour
d'autres diamètres de pilier. On obtient ainsi par exemple les valeurs
suivantes :
- pour d = 10Ornrn : C = 39,88pF/rn et Zc = 83,58 ohms
- pour d = 8Ornrn : C = 34,36pF/rn, Zc = 97,01 ohms
[0043] Détails de l'étape 3
L'enceinte conductrice connue n'ayant pas nécessairement
une section circulaire (comme on le voit par exemple sur la figure 4a qui
montre une section plus ou moins triangulaire pour l'exemple d'enceinte
connue), on détermine ensuite un diamètre moyen équivalent D (voir figure
4b) de cette enceinte conductrice par l'expression suivante :
zr
D= d. e`,,,0
Pour l'exemple fourni, cela donne : D = 404,02 mm pour un diamètre de
pilier de d = 90 mm.
En effectuant par ailleurs le même calcul avec les données obtenues à
l'étape 2, on remarque que D ne varie quasi pas pour différents diamètres
de pilier. On obtient en effet que D = 402,69 pour d = 100 mm, et que D =
402,97 pour d = 80 mm. Nous choisissons dans cet exemple la valeur de D=
400rnrn (+/- 3rnrn sont alloués à l'épaisseur de cuivre de l'enceinte
conductrice).
[0044] Détails de l'étape 4
Afin de déterminer le diamètre d'un dé équivalent, supposé
circulaire, produisant la même fréquence de résonance que ladite cavité de
l'art antérieur, on procède à une simulation électromagnétique 2D de la
cavité s'appuyant sur les dimensions trouvées précédemment, par exemple
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au moyen du programme Wavesirn de la société Field Precision LLC. On
procède ainsi par approximations successives jusqu'à obtenir la bonne
fréquence de résonance.
Dans le cas de l'exemple, on trouve un diamètre équivalent du dé de 378
mm pour une fréquence de résonance de fo = 66 MHz (mesurée sur la cavité
réelle).
[0045] Détails de l'étape 5
On détermine ensuite les courants de surface dans la cavité
de manière à évaluer la puissance dissipée et le facteur de qualité. Ceci
peut par exemple aussi s'effectuer au moyen du programme Wavesirn.
Pour une tension de 50 kV présente dans le gap accélérateur, la puissance
dissipée dans une cavité connue selon l'exemple fourni est de 1300 W et le
facteur de qualité Q est de 10600.
Ces valeurs serviront de points de repère pour les étapes ultérieures.
[0046] Les valeurs numériques obtenues lors de ces cinq premières
étapes permettent ensuite le calcul de la structure d'une cavité bi-
fréquence selon l'invention. Les étapes suivantes de la méthode de calcul
selon l'invention concernent, à titre d'exemple, une cavité selon les figures
A
2a et 3a et exploitant deux modes résonants : un premier mode à pour
une fréquence basse d'environ 33 MHz et un second mode à 4 pour une
fréquence haute d'environ 66 MHz. Il sera évident pour l'homme du métier
d'adapter ce qu'il est nécessaire d'adapter à ces étapes suivantes pour
d'autres fréquences et/ou d'autres rapports de fréquence.
[0047] La forme d'une une cavité bi-fréquence selon l'invention est
déterminée par plusieurs composants physiques dont les caractéristiques
suivantes peuvent être obtenues, et de préférence optimisées, par exemple
à l'aide du logiciel de simulation radiofréquence Genesys de la société
Agitent :
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- l'impédance caractéristique et la longueur de la ligne 20c;
- l'impédance caractéristique et la longueur de la ligne faible
impédance 20b, assimilable à un condensateur ;
- l'impédance caractéristique et la longueur de la ligne 20a.
[0048] Une fois ces éléments déterminés, on procède de préférence à
une optimisation finale de la cavité bi-fréquence par simulation
électromagnétique 2D, par exemple à l'aide du programme Wavesirn. On y
examine la variation de la fréquence de résonance en fonction de la
variation des caractéristiques géométriques des différentes portions du
pilier.
En particulier, le point le plus délicat est l'optimisation de la ligne à
faible
impédance 20b. En effet, si sa capacité est choisie trop faible, la
dissipation
à la fréquence haute (p.ex. à 66 MHz) est importante, de même que la
tension développée à cet endroit, dans certains cas aussi importante que
celle présente sur le dé. En augmentant la valeur de la capacité, la tension
diminue de même que la puissance dissipée dans le bas de la cavité. En
tenant compte de la valeur maximale admissible du champ électrique ainsi
que de la valeur de la capacité permettant d'obtenir le rapport de
fréquence souhaité, par exemple un rapport double (point référencé Cmio),
on détermine de préférence un point optimal Copt pour lequel la puissance
dissipée est quasi identique aux deux fréquences de résonance, comme
l'illustre la figure 5.
[0049] Une multitude de solutions existent. Cependant certains
critères techniques ont guidés la conception d'une cavité plus préférée
selon l'invention :
i. avoir un pilier de diamètre supérieur ou égale à 80 mm dans la
portion 20c pour des raisons de rigidité mécanique ;
ii. avoir une longueur totale du pilier la plus courte possible ;
CA 02800290 2012-11-21
WO 2012/010387 PCT/EP2011/060835
iii. prolonger la ligne faible impédance 20b hors de la culasse du
cyclotron, permettant ainsi une injection de la puissance RF et un
accord cavité optimum ;
iv. permettre une puissance RF d'excitation des cavités aussi basse
que possible, en particulier à la fréquence haute (p.ex. à 66
MHz), afin d'avoir une réserve pour l'accélération du faisceau de
particules.
[0050] En
appliquant la méthode ci-dessus, on obtient finalement les
dimensions préférées suivantes pour le pilier :
- portion 20c (en deux parties) :
o première partie : diamètre = 80 mm, longueur = 520 mm,
Zc = 96,5 ohms ;
o deuxième partie : diamètre = 80 mm, longueur = 145 mm,
Zc = 70 ohms ;
- portion 20b : diamètre = 258 mm, longueur = 285 mm,
Zc = 5 ohm (portion à faible impédance)
- portion 20a : diamètre = 184 mm, longueur = 405 mm,
Zc= 60 ohms.
Ce résultat est illustré aux figures 6a et 6b, la figure 6a étant un diagramme
d'impédances des différentes portions de ligne constituant le pilier et la
figure 6b étant une vue schématique en coupe longitudinale d'une
réalisation physique correspondante de l'exemple de cavité préférée selon
l'invention (seule une moitié de la cavité est représentée).
La longueur totale de la cavité est de 1355 mm, dont 600 mm hors de la
culasse 60 du cyclotron. Les fréquences de résonance basse et haute sont
évaluées respectivement à 33,094 MHz et à 66,486 MHz. Les puissances
dissipées sont de l'ordre de 2768 W à 33 MHz pour une tension dé de 25 kV
et de 2699 W à 66 MHz pour une tension dé de 50 kV. Les facteurs de
qualité sont de 6700 à 33 MHz et de 10000 à 66 MHz.
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[0051] Une réalisation pratique d'une cavité selon l'invention et son
implantation dans un cyclotron est illustrée à la figure 7. La coupe verticale
de ce cyclotron permet de distinguer quatre cavités selon l'invention, dont
une seule a été annotée pour la clarté et la compréhension.
[0052] Les fréquences de résonance de la cavité peuvent être
vérifiées en effectuant un balayage en fréquence (- wobbulation ). Cela
fournit une courbe de variation de l'impédance en fonction de la fréquence
laissant apparaître deux pics distincts. Selon l'exemple préféré fourni, on
retrouve un pic à substantiellement 33 MHz et un deuxième pic à
substantiellement 66 MHz, tel que montré schématiquement à la figure 8.
[0053] Lors de son fonctionnement, la fréquence de résonance de la
cavité va dériver, principalement à cause de dérives thermiques modifiant
ses dimensions. Suivant l'art antérieur il est connu de placer un
condensateur d'accord motorisé et asservi dans le plan médian du cyclotron
et destiné à ajuster la fréquence RF injectée dans la cavité. Cette
configuration n'aurait toutefois que peu d'effet à la fréquence basse, par
exemple à 33 MHz.
Selon une version préférée de l'invention, la cavité 6 comporte un
condensateur d'accord 50 comprenant une électrode mobile reliée
électriquement à l'enceinte conductrice 40 et placée en vis-à-vis du pilier
et substantiellement au niveau de la portion intermédiaire 20b de la ligne
de transmission. Ce condensateur d'accord 50 est visible sur la figure 7. Par
simulation, on a en effet déterminé qu'un tel condensateur d'accord 50
placé à un tel endroit permet d'obtenir une amplitude de réglage très
proche aux deux fréquences de résonance, à savoir, dans le cas d'une
fréquence basse de 33 MHz et d'une fréquence haute de 66 MHz, une
variation de 12,6 KHz/pF à 33 MHz et une variation de 12,2 KHz/pF à
66 MHz.
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[0054] En résumé, l'invention peut également être décrite comme
suit : une cavité résonante (6) bi-fréquence pour cyclotron qui comprend un
dé (10), un pilier (20) et une enceinte conductrice (40) englobant ledit
pilier et ledit dé, une extrémité du pilier étant solidaire de la base de
l'enceinte conductrice et une extrémité opposée dudit pilier (20)
supportant le dé (10). L'enceinte conductrice et le pilier forment une ligne
de transmission comportant au moins trois portions (20a, 20b, 20c) ayant
chacune une impédance caractéristique (Zcl, Zc2, Zc3). L'impédance
caractéristique Z2 de la portion intermédiaire (20b) est substantiellement
inférieure aux impédances caractéristiques Zcl et Z3 des deux autres
portions (20a, 20b), ce qui permet de faire résonner la cavité selon deux
modes afin de produire deux fréquences distinctes sans devoir faire usage
d'éléments mobiles tels que par exemple des courts-circuits glissants ou des
plaques mobiles.
[0055] La présente invention a été décrite en relation avec des modes
de réalisations spécifiques, qui ont une valeur purement illustrative et ne
doivent pas être considérés comme limitatifs. D'une manière générale, il
apparaîtra évident pour l'homme du métier que la présente invention n'est
pas limitée aux exemples illustrés et/ou décrits ci-dessus. L'invention
comprend chacune des caractéristiques nouvelles ainsi que toutes leurs
combinaisons. La présence de numéros de référence aux dessins ne peut pas
être considérée comme limitative, y compris lorsque ces numéros sont
indiqués dans les revendications.
L'usage des verbes - comprendre , - inclure , - comporter , ou toute
autre variante, ainsi que de leur conjugaison, ne peut en aucune façon
exclure la présence d'éléments autres que ceux mentionnés. L'usage de
l'article indéfini - un , - une , ou de l'article défini - le , - la , ou
- l' , pour introduire un élément n'exclut pas la présence d'une pluralité
de ces éléments.
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