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Aimants de focalisation et d'analyse du cyclotron de saclay
NUCLEAR INSTRUMENTS
A N D M E T H O D S 5 (1959) 165--169; N O R T H - H O L L A N D
PUBLISHING
CO.
AIMANTS DE FOCALISATION ET D'ANALYSE DU CYCLOTBON DE SACLAY J. T H I R I O N et J. SAUDINOS
Section des R~actions Nucl~aires ~ Moyenne Energie, C.E.N., Saclay Regu le 5 aofit 1959
Two strong gradient magnets deflect and refocus the beam of the cyclotron in both directions. The beam is t h e n a n a lysed by a double focusing magnet which gives a definition
in energy of 1.5/1000 for 2 m m slits. This a n a l y s e r can also
L'ensemble d'aimants qui est pr6sent6 est en fonctionnement depuis environ un an.
2. Focalisation du Faiseeau Le faisceau sorti est tr~s divergent darts le plan horizontal et relativement plat dans le sens vertical. Un syst~me de deux aimants gradient altern6 tt permet de focaliser le faisceau dans les deux sens sur des fentes situ6es dans la salle du cyclotron. Ce syst~me permet 6galement, dans certaines limites, une orientation horizontale. La ddflexion totale de 22 ° est indispensable dans notre cas pour des raisons g6om6triques; elle est insuffisante pour obtenir une analyse en 6nergie. Les caract6ristiques des deux aimants sont: R----250cm, n = - ¢ - 16, 0 = 10 °. Les pi~ces polaires ont un profil hyperbolique. L'entrefer au centre est de 5 cm; la largeur des pi6ces polaires est de 20 cm. Le gradient a 6t6 mesur6 par la m6thode de la bobine vibrante et est satisfaisant. La variation est inf6rieure /~ 3% pour une zone de 10 cm. Le premier aimant op~re un resserrement dans le plan vertical. Environ 10/~A sur une zone de 1 cm 2 sont obtenus dans la rdgion de focalisation. Une focalisation meilleure par variation de la distance entre les deux aimants ou par compen-
1. Disposition G6n6rale Les donn6es de l'implantation des aimants successifs t ont 6t6 choisies en fonction des salles existantes et pour les buts suivants: 1. Obtenir un faisceau analys6 en 4nergie dans la salle d'exp6riences; si possible, obtenir des 6nergies diff6rentes par absorbants plac6s avant l'analyse du faisceau. 2. Disposer d'un analyseur de particules 6mises par les cibles, tout au moins pour des angles d'observation de 0 ~ 60 °. Pour r6aliser la premiere condition, le faisceau sorti est focalis6 de fagon k disposer des fentes-objet situdes dans la salle du cyclotron. L'aimant d'analyse, situ6 dans la salle d'exp6riences, permet de ddfinir l'6nergie avec pr6cision. Des absorbants peuvent 6tre introduits au voisinage des fentes-objet; la diffusion multiple correspondante n'est pas prohibitive, les dimensions de l'aimant d'analyse 6tant grandes. Pour r6aliser la seconde condition, il a dt6 envisag4 de monter les cibles dans la salle du cyclotron et d'utiliser l'aimant d'analyse pour les particules 4mises. La possibilit6 de faire varier assez facilement l'angle d'analyse de 0 60 ° existe grace ~ un aimant d'orientation situ6 dans la salle du cyclotron. Toutefois, aucune exp6rience de ce type n'a encore 6t6 effectu6e.
be used for analysing secondary particles.
t Autres ensembles d~crits d a n s les r6f6rences s u i v a n t e s : D. R. Bach, W. J. Childs, R. ~vV.Hockney, P. V. C. Hough et W. C. Parkinson, Rev. Sci. Instr. 27, No. 7 (1956) 516; O.N.R. 32.505 Rapport No. 2 (mai 1952) Universit6 de Pittsburgh. t t H. J. Martin et A. A. Kraus, Rev. Sci. Instr. 28, No. 3 (1957), 175. Ces a u t e u r s ont d6velopp6 un spectrom6tre de mSme principe. 165
/ f
C,AMB.RE ;Dr. ~rrus~oN
,~,ALLF.. ~ EY,DF_P.IEHCE
Y
A|MANT II ANAI.YSF.
e
\
\ Fig. 1
PORTE MOBiL~
POMPAGE
\
\
~ALLE
I)Ll CYCLOTRON
~IMAN"r,.~ I}~-F'OCAL[.~ATIOH A C.IRA"QiI~PI'TAL~'I{.RM~--
_
\ \
qEH.ERALE Z~E L~ rOCALiSATioN
L'A.ALYSr D u FA'ISCKAU
MU~ ~)E PROTECTiOM
ET ~E
"niSPOSiTiON
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o
A I M A N T S DE F O C A L I S A T I O N ET D'ANALYSE DU CYCLOTRON DE SACLAY
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3. Aimant Analyseur
sation des champs de fuite n'a pas 6t6 essay6e, les rdsultats actuels ~tant suffisants. Un troisi~me aimant k champ homog~ne sert l'orientation suppl6mentaire du faisceau. Ii
L'aimant analyseur est un aimant en C double focalisation, l'angle de ddflexion 6tant de 70 °. Le rayon de courbure moyen est de 90
~M~BE
.9~iM5
CO~[£T~ON \\'
$t4;~, ~t C0~tt[C4~0M ~u IrtNTt t~[~4.AB~
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~>OU$ ,tier=
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Jo;.T ELAS*~.E
Ptc..r.E5 POLA~R~'5 C0e~igt3¢5
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G'EXTE5
Fig. 2
permet des d6viations de 4 - 3 0 °. I1 est utilisd pour obtenir un faisceau analys6 dans la salle d'exp6riences ~ un endroit commode. I1 est envisag6 de s'en servir pour obtenir facilement des distributions angulaires de 0 ~ 60 ° avec l'aimant d'analyse.
/
cm. Les pi~ces polaires sont coniques. Des barrettes en fer plac~es aux rayons maximums et minimums compensent les effets de bord. La hauteur de l'entrefer est de 10 cm, la largeur utile de 30 cm. Des diaphragmes, r~glables sous vide k l'entr~e et k la sortie de l'entrefer,
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J, T H I R I O N
E T J. S A U D I N O S
permettent de fakevarier l'ouverture utile (fig.2). Le courant de l'aimant est constant k 5 × 10-4pr6s. Le param~tre n = (-- ro/Hzo).(dHr/dr) est dgal ~t 0.5 pour le rayon moyen r o = 90 cm et varie lindairement en fonction de r, la pente dtant de l'ordre de 0.25.
Pour des largeurs objet et image de 2 mm, on obtient une rdsolution AE/E de 1.6 X 10 -3 pour une largeur utile de l'entrefer de 10 cm, et une rdsolution de 2.5 X 10 -3 pour une largeur utile de 30 cm (fig. 3). Ces rdsultats sont en bon accord avec le
ID.~5OLUTiOh! BE Lz"NALYSIELI~ . (o< au THE') LAI~GLUR o s j t t , . ~
NOMBRE ICOUPS./~vln ,
L A m ~ I ~ R IMA¢~[ : 2
NOMBRE
COUP-~n 15000
30000
a_L/= Sxlo-* I
I OUVE~TURE ~00
O U V E R ' r u R t 100
10000
!5000
5000
I
7150
,\
DIV.POTENTIO
72()0
~
7150
DIM POTENTIO
~_. 7200
Fig. 3
La distance image mesurde gr&ce k une instabilitd de la focalisation verticale qui apparalt dans la mdthode du fil est de 2.84 40.05 m en accord avec le calcul thdorique qui prdvoit 2.80 m pour une distance objet de 2.80 m. On a utilisd pour l'dtude de la rdsolution de l'analyseur le rayonnement de 8.776 MeV du thorium C'. On a mesurd d'abord la rdsolution faible ouverture et l'angle de ddviation totale 77 ° s'est avdrd le plus favorable. Ensuite, la zone utile a dtd augmentde en plasant des shims aux bords des pi~ces polaires, la compensation dtant plus forte pour les faibles rayons.
calcul thfiorique: k faible ouverture, la thdorie du premier ordre donne, pour la rdsolution, 1.2 x 10 -3. Des variations de la distance objet de 5 c m n'affectent pratiquement pas la rdsolution. CARACT]~RISTIQUES DE L'AIMANT ANALYSEUR R a y o n de c o u r b u r e m o y e n : 90 c m Angle d u s e c t e u r m a g n d t i q u e : 700 P a r a m ~ t r e n = 0.5 4- 4 % D i s t a n c e o b j e t : 280 c m D i s t a n c e i m a g e calculde: 280 c m D i s t a n c e i m a g e m e s u r d e : 284 4- 5 c m R d s o l u t i o n p o u r u n e l a r g e u r obj et = l a r g e u r i m a g e = 2 m m
AIMANTS
ouverture
10 c m
ouverture
30 cm
AE/E AE/E
E n t r e f e r m o y e n : 10 c m Angle solide maximum:
DE
=
FOCALISATION
1.6 ×
ET
D'ANALYSE
10 - 3
= 2 . 5 X 10 - 3 2 . 7 × 10 - 8 s t 6 r a d i a n .
4. D6finition et Energie du Faiseeau Lors des exp6riences de diffusions 61astique et indlastique, l'aimant analyseur a servi k ddfinir le faisceau. On a travailld k faible ouverture (5 cm de largeur utile de l'entrefer) et l'dnergie du faisceau est constante k 4- 20keV. Pour mesurer l'dnergie du faisceau, on a placd sur son trajet une feuille d'aluminium d'une 6paisseur de l'ordre de 250 #g. Elle ne change pratiquement pas l'6nergie du faisceau mais transforme l'hydrog6ne moldculaire une fois ionis6 Ha+ en protons H +. Le champ magndtique 6tant alors
DU
CYCLOTRON
DE
SACLAY
169
voisin de celui utilis6 pour ThC', on 6vite les erreurs dues k la saturation magndtique. La largeur totale du faisceau avant analyse est de 2 % ; on obtient ainsi 11.1 :j: 0.05MeV pour l'~nergie correspondant au point de fonctionnement. On a effectu6 la m~me mesure pour des protons ralentis par une feuille de 0.1 mm de b6ryllium. On obtient 10.45 4- 0.02 MeV. L'aimant a dt6 r6alis6 avec prdcision par la Soci6t6 Batignolles Chatillon. Nous remercions particuli~rement M. Rougier de cette Soci6t6 pour ses contributions pr~cieuses. Nous remercions 6galement l'6quipe du cyclotron de Saclay qui a particip6 ~ la mise au point des aimants.
A N D M E T H O D S 5 (1959) 165--169; N O R T H - H O L L A N D
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AIMANTS DE FOCALISATION ET D'ANALYSE DU CYCLOTBON DE SACLAY J. T H I R I O N et J. SAUDINOS
Section des R~actions Nucl~aires ~ Moyenne Energie, C.E.N., Saclay Regu le 5 aofit 1959
Two strong gradient magnets deflect and refocus the beam of the cyclotron in both directions. The beam is t h e n a n a lysed by a double focusing magnet which gives a definition
in energy of 1.5/1000 for 2 m m slits. This a n a l y s e r can also
L'ensemble d'aimants qui est pr6sent6 est en fonctionnement depuis environ un an.
2. Focalisation du Faiseeau Le faisceau sorti est tr~s divergent darts le plan horizontal et relativement plat dans le sens vertical. Un syst~me de deux aimants gradient altern6 tt permet de focaliser le faisceau dans les deux sens sur des fentes situ6es dans la salle du cyclotron. Ce syst~me permet 6galement, dans certaines limites, une orientation horizontale. La ddflexion totale de 22 ° est indispensable dans notre cas pour des raisons g6om6triques; elle est insuffisante pour obtenir une analyse en 6nergie. Les caract6ristiques des deux aimants sont: R----250cm, n = - ¢ - 16, 0 = 10 °. Les pi~ces polaires ont un profil hyperbolique. L'entrefer au centre est de 5 cm; la largeur des pi6ces polaires est de 20 cm. Le gradient a 6t6 mesur6 par la m6thode de la bobine vibrante et est satisfaisant. La variation est inf6rieure /~ 3% pour une zone de 10 cm. Le premier aimant op~re un resserrement dans le plan vertical. Environ 10/~A sur une zone de 1 cm 2 sont obtenus dans la rdgion de focalisation. Une focalisation meilleure par variation de la distance entre les deux aimants ou par compen-
1. Disposition G6n6rale Les donn6es de l'implantation des aimants successifs t ont 6t6 choisies en fonction des salles existantes et pour les buts suivants: 1. Obtenir un faisceau analys6 en 4nergie dans la salle d'exp6riences; si possible, obtenir des 6nergies diff6rentes par absorbants plac6s avant l'analyse du faisceau. 2. Disposer d'un analyseur de particules 6mises par les cibles, tout au moins pour des angles d'observation de 0 ~ 60 °. Pour r6aliser la premiere condition, le faisceau sorti est focalis6 de fagon k disposer des fentes-objet situdes dans la salle du cyclotron. L'aimant d'analyse, situ6 dans la salle d'exp6riences, permet de ddfinir l'6nergie avec pr6cision. Des absorbants peuvent 6tre introduits au voisinage des fentes-objet; la diffusion multiple correspondante n'est pas prohibitive, les dimensions de l'aimant d'analyse 6tant grandes. Pour r6aliser la seconde condition, il a dt6 envisag4 de monter les cibles dans la salle du cyclotron et d'utiliser l'aimant d'analyse pour les particules 4mises. La possibilit6 de faire varier assez facilement l'angle d'analyse de 0 60 ° existe grace ~ un aimant d'orientation situ6 dans la salle du cyclotron. Toutefois, aucune exp6rience de ce type n'a encore 6t6 effectu6e.
be used for analysing secondary particles.
t Autres ensembles d~crits d a n s les r6f6rences s u i v a n t e s : D. R. Bach, W. J. Childs, R. ~vV.Hockney, P. V. C. Hough et W. C. Parkinson, Rev. Sci. Instr. 27, No. 7 (1956) 516; O.N.R. 32.505 Rapport No. 2 (mai 1952) Universit6 de Pittsburgh. t t H. J. Martin et A. A. Kraus, Rev. Sci. Instr. 28, No. 3 (1957), 175. Ces a u t e u r s ont d6velopp6 un spectrom6tre de mSme principe. 165
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3. Aimant Analyseur
sation des champs de fuite n'a pas 6t6 essay6e, les rdsultats actuels ~tant suffisants. Un troisi~me aimant k champ homog~ne sert l'orientation suppl6mentaire du faisceau. Ii
L'aimant analyseur est un aimant en C double focalisation, l'angle de ddflexion 6tant de 70 °. Le rayon de courbure moyen est de 90
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Fig. 2
permet des d6viations de 4 - 3 0 °. I1 est utilisd pour obtenir un faisceau analys6 dans la salle d'exp6riences ~ un endroit commode. I1 est envisag6 de s'en servir pour obtenir facilement des distributions angulaires de 0 ~ 60 ° avec l'aimant d'analyse.
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cm. Les pi~ces polaires sont coniques. Des barrettes en fer plac~es aux rayons maximums et minimums compensent les effets de bord. La hauteur de l'entrefer est de 10 cm, la largeur utile de 30 cm. Des diaphragmes, r~glables sous vide k l'entr~e et k la sortie de l'entrefer,
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E T J. S A U D I N O S
permettent de fakevarier l'ouverture utile (fig.2). Le courant de l'aimant est constant k 5 × 10-4pr6s. Le param~tre n = (-- ro/Hzo).(dHr/dr) est dgal ~t 0.5 pour le rayon moyen r o = 90 cm et varie lindairement en fonction de r, la pente dtant de l'ordre de 0.25.
Pour des largeurs objet et image de 2 mm, on obtient une rdsolution AE/E de 1.6 X 10 -3 pour une largeur utile de l'entrefer de 10 cm, et une rdsolution de 2.5 X 10 -3 pour une largeur utile de 30 cm (fig. 3). Ces rdsultats sont en bon accord avec le
ID.~5OLUTiOh! BE Lz"NALYSIELI~ . (o< au THE') LAI~GLUR o s j t t , . ~
NOMBRE ICOUPS./~vln ,
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NOMBRE
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Fig. 3
La distance image mesurde gr&ce k une instabilitd de la focalisation verticale qui apparalt dans la mdthode du fil est de 2.84 40.05 m en accord avec le calcul thdorique qui prdvoit 2.80 m pour une distance objet de 2.80 m. On a utilisd pour l'dtude de la rdsolution de l'analyseur le rayonnement de 8.776 MeV du thorium C'. On a mesurd d'abord la rdsolution faible ouverture et l'angle de ddviation totale 77 ° s'est avdrd le plus favorable. Ensuite, la zone utile a dtd augmentde en plasant des shims aux bords des pi~ces polaires, la compensation dtant plus forte pour les faibles rayons.
calcul thfiorique: k faible ouverture, la thdorie du premier ordre donne, pour la rdsolution, 1.2 x 10 -3. Des variations de la distance objet de 5 c m n'affectent pratiquement pas la rdsolution. CARACT]~RISTIQUES DE L'AIMANT ANALYSEUR R a y o n de c o u r b u r e m o y e n : 90 c m Angle d u s e c t e u r m a g n d t i q u e : 700 P a r a m ~ t r e n = 0.5 4- 4 % D i s t a n c e o b j e t : 280 c m D i s t a n c e i m a g e calculde: 280 c m D i s t a n c e i m a g e m e s u r d e : 284 4- 5 c m R d s o l u t i o n p o u r u n e l a r g e u r obj et = l a r g e u r i m a g e = 2 m m
AIMANTS
ouverture
10 c m
ouverture
30 cm
AE/E AE/E
E n t r e f e r m o y e n : 10 c m Angle solide maximum:
DE
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FOCALISATION
1.6 ×
ET
D'ANALYSE
10 - 3
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4. D6finition et Energie du Faiseeau Lors des exp6riences de diffusions 61astique et indlastique, l'aimant analyseur a servi k ddfinir le faisceau. On a travailld k faible ouverture (5 cm de largeur utile de l'entrefer) et l'dnergie du faisceau est constante k 4- 20keV. Pour mesurer l'dnergie du faisceau, on a placd sur son trajet une feuille d'aluminium d'une 6paisseur de l'ordre de 250 #g. Elle ne change pratiquement pas l'6nergie du faisceau mais transforme l'hydrog6ne moldculaire une fois ionis6 Ha+ en protons H +. Le champ magndtique 6tant alors
DU
CYCLOTRON
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SACLAY
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voisin de celui utilis6 pour ThC', on 6vite les erreurs dues k la saturation magndtique. La largeur totale du faisceau avant analyse est de 2 % ; on obtient ainsi 11.1 :j: 0.05MeV pour l'~nergie correspondant au point de fonctionnement. On a effectu6 la m~me mesure pour des protons ralentis par une feuille de 0.1 mm de b6ryllium. On obtient 10.45 4- 0.02 MeV. L'aimant a dt6 r6alis6 avec prdcision par la Soci6t6 Batignolles Chatillon. Nous remercions particuli~rement M. Rougier de cette Soci6t6 pour ses contributions pr~cieuses. Nous remercions 6galement l'6quipe du cyclotron de Saclay qui a particip6 ~ la mise au point des aimants.