L’équipe opération du cyclotron Arronax utilise plusieurs techniques afin d’adapter les caractéristiques des faisceaux selon les demandes des utilisateurs. L’énergie des particules, l’intensité et la taille du faisceau font partie de ces caractéristiques. Un ensemble de méthodologies décrites plus bas est mis en place pour répondre au mieux aux besoins.

L’une de ces caractéristiques est l’intensité (soit la dose, soit le nombres de particules par seconde) que l’expérimentateur désire obtenir, que ce soit dans les casemates avec des stations d’irradiations déjà existantes ou dans les casemates équipées de bancs d’expérimentation.

Le cyclotron d’Arronax dispose pour l’intensité moyenne délivrée, pour chaque particule, d’une capacité s’étendant sur plusieurs ordres de grandeurs :

Figure 1 : Étendue des opérations d’irradiation avec le cyclotron Arronax [1].

Les techniques employées pour chaque irradiation vont donc dépendre de l’intensité envisagée : haut courant (>1µA) ou bas courant (<1µA) voir très bas courant (<1nA). Additionnellement, un système a été mis en place afin d’éliminer un grand nombre de paquets de particules et diminuer l’intensité moyenne délivrée. Ce système – dit de pulsation – est éloigné des expérimentations et permet de sélectionner les paquets qui doivent atteindre les expériences de bout de lignes.

Haut courant

Pour les protons, le haut courant sur stations d’irradiation s’étend de 1 à 350 µA. La source est employée à son maximum de capacité, ce qui permet d’obtenir un faisceau stable et adéquat. Pour les autres particules, la méthodologie est similaire.

La taille du faisceau sur les cibles irradiées est délimitée par un collimateur situé en amont. Plusieurs diagnostics de pertes faisceaux (BLM, pour Beam Loss Monitor) sont installés sur les lignes en amont des collimateurs et permettent, en adaptant les éléments magnétiques de lignes (quadripôles), de limiter la taille globale de l’enveloppe du faisceau à leur position. Leur premier rôle est donc de monitorer les pertes de particules, mais aussi d’aider au positionnement du faisceau. Ils participent ainsi à mitiger les points de focalisation sur les cibles.

Les BLM [2] peuvent être employés sur toute installation dont les particules traversent le tube faisceaux, car ils ne nécessitent pas de modification des tuyaux faisceaux.

Bas courant

Comme indiqué dans la figure 1, le cyclotron peut délivrer un courant en deçà du µA. Avec la bonne configuration de collimateurs, cela permet d’atteindre quelques protons par paquet, si nécessaire.

La technique repose d’abord sur la diminution de l’intensité des particules en amont du cyclotron, c’est-à-dire dans la section d’injection [6]. Elle fait appel au maintien de la puissance source suffisamment haute pour éviter des instabilités et à l’utilisation d’un ou de plusieurs solénoïdes de l’injection pour diminuer le nombre de particules accélérées dans le cyclotron. Les bruits de fond de la casemate R&D sont ainsi réduits. L’intensité moyenne et continue peut ainsi descendre en dessous de quelques pA.

La dimension du faisceau sur le lieu de l’expérience est aussi adaptée aux besoins en utilisant des  diagnostics.

Figure 2 : Image du faisceau de proton sur une alumine, à la position de l’expérience [4].

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Pulsation

Le système de pulsation permet de diminuer encore plus l’intensité moyenne délivrée en soustrayant un grand nombre de paquets, tout en conservant la capacité d’avoir un grand nombre de particules par paquets. Voir ici la description de ce concept.

Le système peut aussi être employé afin d’obtenir un débit de dose élevé sur un temps court [7].

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Publications

[1] ↑  F.Poirier et al., « Studies and Upgrades on the C70 Cyclotron Arronax », CYC16, September 2016, TUD02. http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/cyclotrons2016/html/auth0370.htm

[2] ↑  A.Sengar et al., « Development of a Beam Loss Monitor and Transverse Beam Dynamics Studies at ARRONAX C70XP Cyclotron« , IPAC19, June 2019, WEPGW006 https://doi.org/10.18429/JACoW-IPAC2019-WEPGW006

[3] ↑  F.Poirier et al., « The Pulsing Chopper-Based System of the Arronax C70XP Cyclotron« , IPAC19, June 2019, TUPTS008. https://doi.org/10.18429/JACoW-IPAC2019-TUPTS008

[4] ↑  F.Poirier et al., « The C70 Arronax and Beam Lines Status », IPAC11, June 2011, WEPS069. http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/IPAC2011/html/auth2893.htm

[5] ↑  F.Poirier et al., « On going operation with the C70 Arronax Cyclotron », CYC13, September 2013, MOPPT010. https://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/CYCLOTRONS2013/html/auth0407.htm

[6] ↑  F.Poirier et al., « C70 Arronax in the Hands On Phase », IPAC12, June 2012, MOPPD024. https://accelconf.web.cern.ch/accelconf/IPAC2012/html/auth2851.htm

[7] ↑  F.Poirier et al., « The Injection and Chopper-Based System at Arronax C70XP Cyclotron« , CYC19, September 2019, TUP006. https://cyclotrons2019.vrws.de/papers/tup006.pdf