BE1019557A3

BE1019557A3 - Synchrocyclotron.

Info

Publication number: BE1019557A3
Application number: BE2010/0641A
Authority: BE
Inventors: Jerome Mandrillon; Matthieu Conjat
Original assignee: Ion Beam Applic Sa
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2012-08-07
Also published as: CN103493603A; WO2012055958A1

Abstract

La présente invention se rapporte à un synchrocyclotron comprenant:-une structure ferromagnétique comprenant:deux plaques de base appelées culasses,en forme de disques situées de manière coaxiale par rapport à un axe central (1),parallèles et substantiellement symétriques par rapport à un plan médian;une paire de pôles présentant une section de forme généralement circulaire,de rayon R,agencés de part et d'autre dudit plan médian,suivant ledit axe central et séparés d'un entrefer formant ainsi une cavité;des retours de flux entourant lesdits pôleset joignant les deux dites culasses;une structure à masse froide comportant au moins deux bobines d'induction magnétique entourée par lesdits retours de flux et entourant lesdits pôles;une source de particules située dans ladite cavité dans une première zone circulaire de rayon R1 inférieur au dit rayon R de ladite cavité et dont l'origine est un point dudit axe central.

Description

Synchrocyclotron

Domaine technique

[0001] La présente invention se rapporte à un synchrocyclotron et a une structure d’aimant pour un synchrocyclotron destiné à la hadron-thérapie, la dite structure d’aimant permettant d’obtenir un synchrocyclotron suffisamment compact et de produire le champ magnétique nécessaire pour l’accélération de particules en hadron-thérapie.

Description de l’état de la technique

[0002] Les synchrocyclotrons, tout comme les cyclotrons, sont des accélérateurs de particules comprenant une structure d’aimant comprenant deux bobines d’induction magnétique entourant radialement une cavité destinée à l’accélération de particules, comprise entre deux pôles, ladite cavité comprenant un axe central et dans laquelle s’étend un plan médian perpendiculairement audit axe central. Des particules sont produites dans une source de particules située dans la cavité au voisinage de l’axe central, et sont extraites de ladite source pour être accélérées, dans le plan médian suivant une trajectoire en forme de spirale, par des électrodes accélératrices alimentées par un générateur de tension alternative haute fréquence.

[0003] À la différence des cyclotrons, où les particules sont accélérées à la même fréquence, dans un synchrocyclotron, la fréquence du champ électrique appliqué aux électrodes accélératrices est modulée de manière à compenser l’accroissement de masse relativiste lorsque la vitesse des particules augmente.

[0004] Pour réduire la taille d’un cyclotron, il faut augmenter la champ magnétique qui guide les ions durant l’accélération. Pour les cyclotrons isochrones, où la focalisation verticale du faisceau est obtenue par des secteurs magnétiques placés dans l’entrefer, il est difficile d’augmenter le champ magnétique moyen au dessus de 5 Tesla, car la focalisation verticale devient insuffisante. Au contraire, dans les synchrocyclotrons, on peut, en principe, augmenter sans limites le niveau de champ magnétique. Les synchrocyclotrons sont également plus compacts que les cyclotrons, la taille d’un synchrocyclotron diminuant proportionnellement par rapport au champ magnétique généré entre les deux pôles.

[0005] Les document US 7,541,905 et US 7,696,847 décrivent un synchrocyclotron dont les bobines d’induction sont réalisées en un matériau supraconducteur, refroidies à une température de 4,5K, et capable de produire un champ magnétique compris entre 5 Tesla et 11 Tesla. Des champs magnétiques de 14 Tesla peuvent être produits en diminuant la température jusque 2K pour des bobines d’induction réalisées en NbsSn. La culasse réalisée en fer doux fournit un champ additionnel d’environs 2T. Afin de réduire la taille d’un synchrocyclotron, les documents cités précédemment suggèrent de produire un champ magnétique élevé dans l’entrefer des pôles. Néanmoins en augmentant le champ magnétique, au dessus de 6 Teslas, comme dans les brevets précités, des effets indésirables apparaissent : il devient impossible ou très difficile de dessiner la région centrale du cyclotron, car le champ magnétique très élevé entraîne une diminution du rayon des premières orbites prises par les particules, de manière telle que les particules n’arrivent pas à contourner la source d’ion au premier tour. Un autre inconvénient des champs magnétiques supérieurs à 6 Tesla est que la réalisation du dispositif d’extraction devient très difficile. Un troisième inconvénient des champs magnétiques supérieurs à 6 Tesla au centre du cyclotron est que, pour de tels champs magnétiques, le champ magnétique rencontré dans les bobines excède la champ magnétique auquel on peut utiliser l’alliage de Niobium-Titane pour réaliser les bobines. On doit utiliser alors des bobines supraconductrices utilisant l’alliage Nb3Sn qui est beaucoup plus coûteux.

[0006] Le synchrocyclotron décrit plus haut comprend deux pôles dont le profil permet une faible focalisation des particules accélérées dans le plan médian et une stabilité de phase de telle manière à ce que les particules chargées acquièrent suffisamment d’énergie pour maintenir l’accélération dans l’entrefer desdits pôles. Dans le champ magnétique produit dans l’entrefer d’un synchrocyclotron, une particule chargée et accélérée oscille de manière radiale et axiale autour d’une orbite d’équilibre. La fréquence d’oscillation radiale vr est donnée par (I) : vr = VT - n (oscillations par révolution) (I) la fréquence d’oscillation axiale vz est donnée par (II) : vz = Vn (oscillations par révolution) (II) avec n l’indice de focalisation de champ donné par (III)

r dB

n = -(III) où r est le rayon de l’orbite de la particule, l’origine du rayon passant par un point de l’axe central, et B le champ magnétique en ce rayon.

On peut montrer théoriquement qu’il existe une force de focalisation axiale lorsque n>0 ce qui implique que dB/dr soit négatif. Le synchrocyclotron doit donc avoir un profil de champ évolutif qui décroît en fonction du rayon de manière à satisfaire aux conditions posées par d’indice de focalisation de champ. Généralement, on s’arrange pour avoir un profil de pôle dont l’indice de focalisation de champ est inférieur à 0,2 dans la cavité destiné à l’accélération des particules. Lorsque l’on s’approche du rayon maximum du pôle, le champ magnétique diminue plus rapidement en fonction du rayon, l’indice de champ magnétique augmente, la fréquence radiale vr diminue et la fréquence axiale vz augmente. Lorsque n = 0.2, on a une condition particulière où vr = 2 vz. Dans cette condition particulière, connue comme la résonance de Walkinshaw, l’énergie des oscillations radiales peut être transférée aux oscillations axiales. Ceci fait augmenter la taille axiale du faisceau et cause généralement la perte de la majorité des ions accélérés. Pour éviter cela, le synchrocyclotron comprend des ailes de pôles situées sur le bord des pôles , causant une réduction de l’entrefer avant que l’indice de champ ne soit égal à 0,2, de manière à augmenter localement le champ magnétique et à empêcher la perte de particules.

[0007] Dans le cas d’un synchrocyclotron à champ magnétique élevé tel que décrit dans les deux documents cités ci-dessus, pour satisfaire aux conditions posées par l’indice de focalisation de champ n et permettre la focalisation des particules dans le plan médian, le profil des pôles doit évoluer d’une région avoisinant l’axe central où l’entrefer est suffisamment étroit pour produire suffisamment de champ magnétique, vers une région située proche des ailes de pôles où l’entrefer est maximum et dont la hauteur est au moins deux fois supérieure à celle de la zone de l’entrefer avoisinant l’axe central. Les pôles comprennent des surfaces biseautées de façon à élargir progressivement l’entrefer des pôles, la région des pôles où le gap est maximum étant comprise entre deux surfaces formant un angle aigu entre elles. Dans la figure 2 du document US 7,696,847 la jonction entre l’aile 134 et la surface 130 présente un angle aigu. Un tel profil de pôle comprenant une région profonde et étroite est assez difficile à usiner avec précision.

[0008] Un synchrocyclotron comprenant un entrefer dans lequel est généré un champ magnétique de 5,5 Tesla est décrit dans le document de Wu X. « Conceptual Design and Orbit Dynamics in a 250 MeV Superconducting Synchrocyclotron » (PhD dissertation, Michigan State University, 1990). Les pertes de particules à la sortie de la source sont moins importantes pour un tel champ magnétique. Néanmoins, l’entrefer entre les pôles de ce synchrocyclotron est relativement étroit, tout comme dans le synchrocyclotron décrit précédemment, ce qui nécessite le forage d’un trou dans la culasse selon l’axe central de la culasse pour l’introduction d’une source de particules dans la région centrale. Le forage du trou dans la culasse modifie localement le champ magnétique au centre de la cavité accélératrice, où le champ magnétique au voisinage de la source s’accroît initialement avec le rayon jusqu’à un maximum, puis retombe légèrement avec le rayon. L’index de focalisation de champ est donc initialement négatif ce qui provoque une défocalisation de la trajectoire des particules sur un court rayon. Cet effet augmente avec le rayon de la source, d’où la nécessité de minimiser le diamètre du trou dans la culasse et le diamètre de la source, ce qui réduit la capacité de production de particules. Aussi, il est nécessaire d’insérer des pièces métalliques circulaires de compensation de champ magnétique, couramment appelées « shims ».

[0009] Un autre inconvénient des synchrocyclotrons décrits précédemment est le peu d’espace disponible pour l’insertion d’un circuit d’oscillation haute fréquence comprenant des électrodes accélératrices et une ligne de transmission. Ce manque d’espace impose une distance réduite entre les électrodes accélératrices et la ligne de transmission, ce qui à pour effet d’augmenter la capacité entre ces deux éléments. Une augmentation de la capacité nécessite plus de puissance au niveau du générateur de tension pour produire la fréquence de courant alternatif désirée dans les électrodes accélératrices.

[0010] Afin de minimiser les problèmes d’extraction des particules de la source, et de réduire les coûts de production d’un synchrocyclotron, il est nécessaire de minimiser le champ magnétique dans l’entrefer compris entre les deux pôles du synchrocyclotron tout en minimisant la taille du synchrocyclotron.

[0011] Il est également souhaitable de réaliser un synchrocyclotron dont les profils de pôles satisfont aux conditions posées par l’indice de focalisation de champ et sont plus faciles à usiner.

[0012] Il est aussi souhaitable de réaliser un synchrocyclotron dont l’entrefer entre les deux pôles permet l’insertion aisée d’une source et d’un circuit d’oscillation haute fréquence de manière à éviter les problèmes tels que rencontrés dans les synchrocyclotrons de l’art antérieur.

Résumé de l’invention

[0013] Selon un premier aspect, la présente invention concerne un synchrocyclotron comprenant : - une structure ferromagnétique 4 comprenant : o deux plaques de base appelées culasses 16, 16’, en forme de disques situées de manière coaxiale par rapport à un axe central 1, parallèles et substantiellement symétriques par rapport à un plan médian 2 ; o une paire de pôles 5, 5’ présentant une section de forme généralement circulaire, de rayon R, agencés de part et d’autre dudit plan médian 2, suivant ledit axe central 1 et séparés d’un entrefer formant ainsi une cavité 9 ; o des retours de flux 17 entourant lesdits pôles 5,5’ et joignant les deux dites culasses 16, 16’ ; - une structure à masse froide comportant au moins deux bobines d’induction magnétique 3 entourée par lesdits retours de flux 17 et entourant lesdits pôles 5,5’ ; - une source de particules 11 située dans ladite cavité 9 dans une première zone 6 circulaire de rayon R1 inférieur au dit rayon R de ladite cavité 9 et dont l’origine est un point dudit axe central 1 ; le champ magnétique moyen produit dans ladite cavité 9 par les dites bobines 3 et la dite structure ferromagnétique 4 étant compris entre 4 et 7 Tesla, l’entrefer de ladite cavité 9 présentant un profil symétrique par rapport audit plan médian 2, et dont la hauteur varie radialement, ledit profil de l’entrefer comportant successivement à partir dudit axe central 1 : - une première portion circulaire 7, de rayon R2, centrée sur ledit axe central 1, dont la hauteur de l’entrefer au centre est de hauteur Hœntre, et croît progressivement jusqu’à une hauteur maximum Hmax à l’extrémité du rayon R2; - une seconde portion annulaire 8 où la hauteur de l’entrefer décroît progressivement jusqu’à une hauteur Hb0rds aux bords des dits pôles 5,5’ ; le synchrocyclotron étant caractérisé en ce que ladite hauteur Hœntre de l’entrefer au centre de ladite première portion circulaire (7) est supérieure à 10 cm, et le rapport de ladite hauteur maximale Hmax sur la dite hauteur H centre est compris entre 1,1 et 1,5.

[0014] De préférence, ledit synchrocyclotron est caractérisé en ce que ladite première portion circulaire comprend une sous-portion circulaire 6 de rayon R1 inférieur à R2, centrée sur le dit axe central 1, dont la hauteur de l’entrefer est constante et de hauteur Hcentre·

[0015] De préférence, ledit synchrocyclotron selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le rapport de ladite hauteur maximale Hmax sur la dite hauteur Hœntre est compris entre 1,2 et 1,5.

[0016] De préférence, ledit synchrocyclotron selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le rapport de ladite hauteur maximale Hmax sur la dite hauteur Hcentre est compris entre 1,2 et 1,4.

[0017] De préférence, ledit synchrocyclotron selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les dits pôles 5,5’ comprennent une succession de surfaces circulaires biseautées et centrées sur ledit axe central 1, chacune desdites surfaces formant avec sa surface voisine un angle a strictement supérieur à 90°, plus préférablement 91°, encore plus préférablement 92°.

[0018] De préférence, ledit synchrocyclotron selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite sous-portion circulaire 6 s’étend sur un rayon R1 égal à 20 % du rayon R de ladite cavité et ladite première portion circulaire 7 s’étend entre le rayon R1 et un rayon R2 égal à 95% du rayon R de ladite cavité 9.

[0019] De préférence, ledit synchrocyclotron selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite sous-portion circulaire 6 s’étend sur un rayon R1 égal à 10 % du rayon R de ladite cavité et ladite première portion circulaire 7 s’étend entre le rayon R1 et un rayon R2 égal à 70% du rayon R de ladite cavité 9.

[0020] De préférence, ledit synchrocyclotron selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite source est située dans ladite sous-portion circulaire 6 et maintenue par un support inséré dans ladite cavité 9 de manière substantiellement parallèle audit plan médian 2.

[0021] De préférence, ledit synchrocyclotron selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que chacun desdits pôles 5 est plein.

[0022] De préférence, ledit synchrocyclotron selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdites bobines d’induction magnétique 3 sont réalisées en NbTi.

[0023] Selon un autre aspect, la présente invention concerne une méthode de réalisation d’un synchrocyclotron selon la revendication 1, la méthode comprenant les étapes de : - fixation de la hauteur de l’entrefer entre lesdits pôles au voisinage de l’axe central Hcentre telle que ladite hauteur Hcentre soit supérieure à 10 cm ; - fixation d’une hauteur maximale de l’entrefer Hmax telle que celle-ci soit supérieure à au moins 1,1 fois la hauteur Hcentre et inférieure à 1,5 fois la hauteur Hcentre ; - fixation d’un champ magnétique dans des bobines d’induction magnétique 3 entourant les pôles formant la cavité accélératrice de particules ; - optimisation du profil des pôles et des dimensions et position des bobines d’induction magnétique 3 en tenant compte de Hcentre et Hmax ainsi que du champ magnétique dans les bobines, de manière à obtenir une cavité accélératrice de particules comprise entre lesdits pôles dont l’entrefer entre lesdits pôles satisfait aux conditions posées par l’indice de focalisation de champ n = avec r le rayon de l’orbite d’une particule, l’origine du dit rayon passant par un point de l’axe central, et B le champ magnétique en ce rayon, n devant être strictement compris entre 0 et 0,2.

Description des figures

[0024] La figure 1 représente une coupe latérale d’un synchrocyclotron selon un mode de réalisation de la présente invention.

[0025] La figure 2 représente une coupe latérale plus détaillée du synchrocyclotron selon la figure 1.

Description détaillée de l’invention

[0026] Les figures 1 et 2 représentent un synchrocyclotron selon la présente invention. Il est à noter que les figures 1 et 2 ne sont pas représentées à l’échelle et que certaines pièces du synchrocyclotron ne sont pas représentées pour des raisons de clarté de la figure. Le synchrocyclotron selon la présente invention comprend : - une structure ferromagnétique 4 comprenant : o deux plaques de base appelées culasses 16, 16’, en forme de disques situées de manière coaxiale par rapport à un axe central 1, parallèles et substantiellement symétriques par rapport à un plan médian 2 ; o une paire de pôles 5, 5’ présentant une section de forme généralement circulaire, de rayon R, agencés de part et d’autre dudit plan médian 2, suivant ledit axe central 1 et séparés d’un entrefer formant ainsi une cavité 9 ; o des retours de flux 17 entourant lesdits pôles 5,5’ et joignant les deux dites culasses 16, 16’ ; - une structure à masse froide comportant au moins deux bobines d’induction magnétique 3 entourée par lesdits retours de flux 17 et entourant lesdits pôles 5,5’ ; - une source de particules 11 située dans ladite cavité 9 dans une première zone 6 circulaire de rayon R1 inférieur au dit rayon R de ladite cavité 9 et dont l’origine est un point dudit axe central 1 ; - un générateur 14 de tension haute fréquence situé en dehors des retours de flux 17 ; - une électrode accélératrice couplée au générateur 14 de tension haute fréquence, l’électrode comprenant une paire de plaques 12 parallèles, substantiellement semi-circulaires et séparées l’une de l’autre par un gap, situées à l’intérieur de ladite cavité 9, s’étendant parallèlement et symétriquement de part et d’autre du plan médian 2 et faisant face à ladite source ; - une ligne de transmission 13 entourant l’électrode accélératrice 12 et située à une certaine distance de ladite électrode 12.

[0027] Selon un aspect préféré de l’invention, le champ magnétique généré dans l’entrefer entre les pôles 5, 5’ du synchrocyclotron est choisi de manière à : - ce que le champ magnétique soit suffisamment élevé pour accélérer des particules à une énergie comprise entre 200 et 250 MeV ; - éviter que les particules sortant de la source ne retombent sur celle-ci sous l’action d’un champ magnétique trop élevé ; - minimiser la taille du synchrocyclotron.

Préférablement, le champ magnétique généré dans l’entrefer entre lesdits pôles est compris entre 4 et 7 Teslas, préférablement entre 4 et 6 Teslas. La production d’un tel champ magnétique ne requiert pas l’utilisation de bobines supraconductrices en Nb3Sn. Des bobines supraconductrices en NbTi sont adaptées à la production d’un champ compris entre 3 et 5 Tesla auquel est combiné le champ magnétique généré par la structure ferromagnétique 4 qui est généralement de l’ordre de 2 Teslas. Les bobines supraconductrices en NbTi sont moins coûteuses et plus faciles à mettre en œuvre que les bobines en Nb3Sn.

[0028] Selon un aspect préféré de l’invention, la cavité 9 formée par les pôles 5 est caractérisée par un rayon R dont l’origine passe par un point de l’axe central 1 et dont l’extrémité coïncide avec les bords 10 des pôles 5. La hauteur de l’entrefer varie en fonction du rayon de manière à satisfaire aux conditions posées par l’indice de focalisation de champ n. Préférablement, l’entrefer comprend trois zones 6, 7 et 8, en partant de l’axe central vers le bord des pôles : - une première zone 6, préférablement plane (bien que cela ne soit pas une limitation de la présente invention) et circulaire de rayon R1 inférieur au rayon R de la cavité et dont l’origine coïncide avec un point de l’axe central 1, située au voisinage de l’axe central 1 et dont l’entrefer entre les pôles 5 est de hauteur HUntre ; - une seconde zone 7, comprise entre un cercle dudit rayon R1 et un second cercle de rayon R2, inférieur également au rayon R de la cavité et dont l’origine coïncide avec celle du rayon R1, dans laquelle la hauteur de l’entrefer entre les pôles 5 augmente progressivement jusqu’à une hauteur maximum Hmax, de manière à diminuer progressivement le champ magnétique pour assurer une focalisation des particules dans le plan médian 2 ; - une troisième zone 8 comprise entre le cercle de rayon R2 et les bords 10 des pôles, dans laquelle l’entrefer entre les pôles diminue progressivement jusqu’à une hauteur minimum Hmin aux bords 10 des pôles, de manière à réaugmenter le champ magnétique et diminuer l’indice focalisation de champ n avant que l’indice de focalisation de champ n n’arrive à une valeur limite à laquelle les particules oscillant axialement autour d’une orbite d’équilibre entrent en résonance avec les particules oscillant radialement autour de la même orbite d’équilibre.

[0029] Selon un aspect préféré de l’invention, le rapport entre la hauteur maximum Hmax de l’entrefer et la hauteur Hcentre de l’entrefer au voisinage de l’axe central est strictement supérieur à 1 et inférieur à 1,5, de manière à faciliter l’usinage de l’intérieur des pôles, tout en satisfaisant aux conditions posées par l'indice de focalisation de champ. Plus préférablement, le rapport Hmax/HCentre est compris entre 1,2 et 1,5.

[0030] Selon un autre aspect préféré de l’invention, toujours dans le but de faciliter l’usinage des pôles 5, l’ensemble desdites seconde 7 et troisième 8 zones comprend une succession de surfaces circulaires biseautées et dont le rayon a pour origine un point dudit axe central, chacune desdites surfaces formant avec sa surface voisine un angle a strictement supérieur à 90°, plus préférablement 91°, encore plus préférablement 92°.

[0031] Selon un autre aspect préféré de l’invention, la hauteur Hcentre de l’entrefer au voisinage de l’axe central 1 est supérieure à 10 cm, plus préférablement supérieure à 15cm, plus préférablement supérieure à 18,4 cm. La hauteur Hcentre de l’entrefer au voisinage de l’axe central, plus élevée par rapport aux synchrocyclotrons de l’art antérieur, permet une insertion plus aisée de la source et du circuit d’oscillation haute fréquence comprenant les électrodes accélératrices et la ligne de transmission.

[0032] L’élargissement de l’entrefer permet par exemple d’augmenter le gap entre les deux plaques 12 de l’électrode accélératrice de manière à éviter une collision des particules avec les dites plaques 12. L’élargissement de l’entrefer permet également d’augmenter la distance entre l’électrode accélératrice et la ligne de transmission 13, ce qui réduit la capacité entre ces deux composants et permet au générateur de tension 14 de fournir une tension alternative haute fréquence à l’électrode accélératrice avec moins de puissance.

[0033] Selon un autre aspect préféré de l’invention, la hauteur Hcentre élevée dans la région de l’entrefer avoisinant l’axe central permet l’insertion d’une source de manière latérale plutôt que de manière axiale. L’insertion de la source peut se faire, par exemple, au moyen d’un support 15 provenant de l’extérieur de la cavité et comprenant des conduits pour la circulation du gaz dans la source, ainsi que des connexions électriques pour l’allumage de la source. L’insertion d’une source de manière latérale dispense le forage d’un trou dans la culasse 16, 16’ et les pôles 5, 5’, ce qui supprime la variation négative de l’indice de focalisation de champ dans la région de l’entrefer avoisinant l’axe central 1 et permet l’utilisation d’une source de diamètre moins réduit que dans les synchrocyclotrons de l’art antérieur. De cette manière, la source peut produire un courant de particules plus élevé. Aussi, avec la suppression de la variation négative de l’indice de champ dans la région de l’entrefer avoisinant l’axe central, les problèmes de défocalisation des particules à la sortie de la source sont minimisés et les anneaux de compensation de champ tels qu’utilisés dans les synchrocyclotrons de l’art antérieur deviennent facultatifs, ce qui simplifie cette région.

[0034] Dans un exemple, non limitatif, de réalisation d’un synchrocyclotron selon la présente invention, le champ magnétique moyen dans l’entrefer entre les deux pôles est de 5,6 Teslas. La hauteur de l’entrefer entre les pôles dans la région avoisinant l’axe central Hcentre est de 18,4 cm et la hauteur de l’entrefer maximum Hmax est de 25.3 cm. Dans ce synchrocyclotron, le rapport Hmax/Hcentre égal à 1.375. La distance z(cm) séparant les pôles du plan médian en fonction du rayon des pôles r(cm) est donnée dans le tableau 1. Le rayon externe et la hauteur du synchrocyclotron sont respectivement de 125 cm et de 156cm. Pour un champ magnétique comparable, les dimensions de cet exemple de la présente invention sont inférieures au cyclotron décrit par Wu (champ magnétique produit dans la cavité : 5,53 Teslas, hauteur du synchrocyclotron : 173,4 cm, rayon externe du synchrocyclotron : 132,3 cm). Toujours dans ce même exemple de la présente invention, le gap entre les plaques de l’électrode accélératrice est de 2 cm, et le gap entre ces plaques et la ligne de transmission est de 7,4cm.

[0035] Il est à préciser que l’homme du métier peut optimiser le profil des pôles en fonction de la position des bobines par rapport au plan médian, ainsi que par les dimensions et forme de cette bobine, tout en se plaçant dans des conditions où la hauteur de l’entrefer entre les deux pôles dans ladite première zone est supérieure à 10 cm, où le rapport de la hauteur de l’entrefer maximum Hmax sur la hauteur de l’entrefer minimum Hcentre dans la première zone (6) est compris entre 1,1 et 1,5, plus préférablement entre 1,2 et 1,5. Dans l’exemple ci-dessus, les bobines ont un rayon interne de 55,4 cm centré sur l’axe central 1, une largeur de 13 cm et une hauteur de 28,1cm, et sont distantes l’une de l’autre de 20cm.

[0036] La présente invention concerne également une méthode de fabrication d’un synchrocyclotron comprenant deux pôles séparés par un entrefer, la méthode comprenant les étapes de : - fixation de la hauteur de l’entrefer au voisinage de l’axe central Hœntre telle que ladite hauteur Hcentre soit supérieure à 10 cm, préférablement supérieure à 15 cm, préférablement supérieure à 18,4 cm et inférieure à 37 cm ; - fixation d’une hauteur maximale de l’entrefer Hmax telle que celle-ci soit strictement supérieure à la hauteur Hcentre et inférieure à 1,8 fois la hauteur Hcentre ; - fixation d’un champ magnétique dans des bobines d’induction magnétique entourant les pôles formant la cavité accélératrice de particules ; - optimisation du profil des pôles et des dimensions et position des bobines d’induction magnétique en tenant compte de Hcentre et Hmax ainsi que du champ magnétique dans les bobines, de manière à obtenir une cavité accélératrice de particules comprise entre lesdits pôles dont l’entrefer entre lesdits pôles satisfait aux conditions posées par l’indice de focalisation de champ n.

Claims

1. Synchrocyclotron comprenant : - une structure ferromagnétique (4) comprenant : o deux plaques de base appelées culasses (16, 16’), en forme de disques situées de manière coaxiale par rapport à un axe central (1), parallèles et substantiellement symétriques par rapport à un plan médian (2) ; o une paire de pôles (5, 5’) présentant une section de forme généralement circulaire, de rayon R, agencés de part et d’autre dudit plan médian (2), suivant ledit axe central (1) et séparés d’un entrefer formant ainsi une cavité (9) ; o des retours de flux (17) entourant lesdits pôles (5,5’) et joignant les deux dites culasses (16, 16’) ; - une structure à masse froide comportant au moins deux bobines d’induction magnétique (3) entourée par lesdits retours de flux (17) et entourant lesdits pôles (5,5’) ; - une source de particules (11) située dans ladite cavité (9) dans une première zone (6) circulaire de rayon R1 inférieur au dit rayon R de ladite cavité (9) et dont l’origine est un point dudit axe central (1) le champ magnétique moyen produit dans ladite cavité (9) par les dites bobines (3) et la dite structure ferromagnétique (4) étant compris entre 4 et 7 Tesla, l’entrefer de ladite cavité (9) présentant un profil substantiellement symétrique par rapport audit plan médian (2), et dont la hauteur varie radialement, ledit profil de l’entrefer comportant successivement à partir dudit axe central (1) : - une première portion circulaire (7), de rayon R2, centrée sur ledit axe central (1), dont la hauteur de l’entrefer au centre est de hauteur Hcentre, et croît progressivement jusqu’à une hauteur maximum Hmax à l’extrémité du rayon R2; - une seconde portion annulaire (8) où la hauteur de l’entrefer décroît progressivement jusqu’à une hauteur Hb0rds aux bords des dits pôles (5,5’) ; caractérisé en ce que ladite hauteur Hœntre de l’entrefer au centre de ladite première portion circulaire (7) est supérieure à 10 cm, et le rapport de ladite hauteur maximale Hmax sur la dite hauteur Hcentre est compris entre 1,1 et 1,5.

2. Synchrocyclotron selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite première portion circulaire comprend une sous-portion circulaire (6) de rayon R1 inférieur à R2, centrée sur le dit axe central (1), dont la hauteur de l’entrefer est constante et de hauteur Hcentre-

3. Synchrocyclotron selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le rapport de ladite hauteur maximale Hmax sur la dite hauteur Hœntre est compris entre 1,2 et 1,5.

4. Synchrocyclotron selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le rapport de ladite hauteur maximale Hmax sur la dite hauteur Hœntre est compris entre 1,2 et 1,4.

5. Synchrocyclotron selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les dits pôles (5,5’) comprennent une succession de surfaces circulaires biseautées et centrées sur ledit axe central (1), chacune desdites surfaces formant avec sa surface voisine un angle a strictement supérieur à 90°, plus préférablement 91°, encore plus préférablement 92°.

6. Synchrocyclotron selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite sous-portion circulaire (6) s’étend sur un rayon R1 égal à 20 % du rayon R de ladite cavité et ladite première portion circulaire (7) s’étend entre le rayon R1 et un rayon R2 égal à 95% du rayon R de ladite cavité (9).

7. Synchrocyclotron selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite sous-portion circulaire (6) s’étend sur un rayon R1 égal à 10 % du rayon R de ladite cavité et ladite première portion circulaire (7) s’étend entre le rayon R1 et un rayon R2 égal à 70% du rayon R de ladite cavité (9).

8. Synchrocyclotron selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite source est située dans ladite sous-portion circulaire (6) et maintenue par un support inséré dans ladite cavité (9) de manière substantiellement parallèle audit plan médian (2).

9. Synchrocyclotron selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que chacun desdits pôles (5) est plein.

10. Synchrocyclotron selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdites bobines d’induction magnétique (3) sont réalisées en NbTi.

11. Méthode de réalisation d’un synchrocyclotron selon la revendication 1, la méthode comprenant les étapes de : - fixation de la hauteur de l’entrefer entre lesdits pôles au voisinage de l’axe central Hcentre telle que ladite hauteur Hœntre soit supérieure à 10 cm ; - fixation d’une hauteur maximale de l’entrefer Hmax telle que celle-ci soit supérieure à au moins 1,1 fois la hauteur Hcentre et inférieure à 1,5 fois la hauteur Hcentre ; - fixation d’un champ magnétique dans des bobines d’induction magnétique (3) entourant les pôles formant la cavité accélératrice de particules ; - optimisation du profil des pôles et des dimensions et position des bobines d’induction magnétique (3) en tenant compte de Hcentre et Hmax ainsi que du champ magnétique dans les bobines, de manière à obtenir une cavité accélératrice de particules comprise entre lesdits pôles dont l’entrefer entre lesdits pôles satisfait aux conditions posées par l’indice de focalisation de champ n = avec r le rayon de l’orbite d’une particule, l’origine du dit rayon passant par un point de l’axe central, et B le champ magnétique en ce rayon, n devant être strictement compris entre 0 et 0,2.