HAL Id: jpa-00212701
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Le cyclotron de l’Ecole Supérieure de Physique et de
Chimie de Paris
M. G. Dupuy
To cite this version:
LE CYCLOTRON DE
L’ÉCOLE SUPÉRIEURE
DEPHYSIQUE
ET DE CHIMIE DE PARISPar
M. G.
DUPUY,
Chef de Travaux.
Résumé. 2014 L’auteur décrit en détail un petit cyclotron dont le projet et la réalisation sont dus à un groupe d’élèves de l’École Supérieure de Physique et de Chimie de Paris. Cet instrument est
utilisé à des fins
pédagogiques.
Abstract. 2014 The author describes in details a small
cyclotron
which has beendesigned
and constructed by some students of the Ecole dePhysique
et Chimie in Paris. The instrument is used for educational purposes.PHYSIQUE APP1.IQUÉE 19, 1958,
Nous avons
entrepris
en 1953 la constructiond’un
petit
cyclotron
pour les besoins del’ensei-gnement
au laboratoire dePhysique atomique
del’École.
L’étude et la mise au
point
del’appareil
ont été effectuées par des groupes d’élèves dequatrième
année despromotions
successives dont letemps
deséjour
au laboratoire est devingt
semaines par année scolaire. Ils ont eu à mettre en oeuvre leursconnaissances dans les divers domaines de la
Phy-sique :
magnétisme,
hautefréquence,
technique
duvide,
physique
nucléaire,
etc...Les dimensions de
l’appareil
sont restreintessurtout pour des raisons
budgétaires.
M. R.Lucas,
Directeur del’ École,
a bien voulu nous aider et nous encourager ;qu’il
veuille bien trouver ici nosremerciements pour l’appui et l’intérêt
qu’il
n’a cessés de manifester au cours de cette réalisation.La construction a
été presque
totalement effectuéeavec’les moyens de
l’Ecole grâce
à M. J.Luc,
colla borateurtechnique, que
nous nous voulonsremer-cier tout
particulièrement
pour sa contribution et sessuggestions.
Les
performances
sont évidemment enrapport
avec les dimensions ducyclotron. Actuellement,
defaçon
courante on obtient un flux deprotons
dontl’énergie
est de 600 000 électron-volts et dontl’intensité est de 6
microampères ;
cequi
permet
d’effectuer un trèsgrand
nombre de réactions nucléaires etd’investigations
concernant l’émission desparticules.
Par la modification de laligne
hautefréquence, qui
intentionnellement a étéréglée
pri-mitivement sur unefréquence
de 12mégacycles,
il sera
possible
d’éleverl’énergie
desprotons
jusqu’à
1 million d’électron-volts environ.Principe
du fonctionnement. - Jerappellerai
très brièvement leprincipe
de fonctionnement decet accélérateur dû à Lawrence.
Une chambre étanche
(fig. 1),
danslaquelle
onfait
régner
un videélevé,
contient deux électrodescreuses,
semi-cylindriques,
appelées
dés. Elles sontdisposées symétriquement
et formentapproxi-mativement un
cylindre, les
bordsrectilignes
desdés étant
séparés
parun petit
intervalle. La chambre estplacée
entre deuxpôles
d’unélectro-FIG. 1. - Schéma de la chambre du
cyclotron.
aimant dont l’axe de révolution passe par le centre desymétrie
des dés. Lechamp magnétique
d’in-duction,
supposé uniforme,
courbera latrajectoire
des
particules
chargées
issuesd’une
sourced’ions,
localisée entre les
dés,
auvoisinage
immédiat du centre desymétrie.
Les dés sont soumis à une diffé-rence depotentiel
alternative defréquence
conve-nable : soit v =Vo
sin 2xf t.
Les
ions,
dont lacharge
positive
est unmultiple
entier Z de la
charge
élémentaire e, sontaccélérés;
àpartir
du lieu de leurproduction,
vers le déqui
estnégatif
à l’instantconsidéré ;
en mêmetemps
lechamp magnétique
d’induction B courbe lestra-jectoires.
Poursimplifier,
nous supposerons que lechamp
électrique
alternatif a toutes seslignes
deforce
parallèles
auplan
desymétrie
des électrodeset
perpendiculaires
aux bordsrectilignes
des dés.28 A
Dans cette
hypothèse,
les ions ont enpartant
de lasource, une
trajectoire
qui
se confond avec une deslignes
dechamp électrique
en l’absence duchamp
B. Dèsqu’une
particule pénètre
à l’intérieurd’un
dé,
celui-ci soustrait l’ion à toute actionélec-trique,
si onnéglige
les forcesprovenant
des autres ionsprésents
dansl’électrode,
car il sert alors de cage deFaraday.
A
l’intérieur,
sous l’influence deB,
latrajectoire
d’uneparticule
de masse lVl est circulaire et par-courue à vitesse constante v telle queon voit que la vitesse
angulaire
de rotationest invariable à condition toutefois que
B, M,
Zrestent constants.
Si, pendant
letemps
que laparticule
met pour décrire unedemi-circonférence,
la différence depotentiel
alternative achangé
de sens, l’ion sera de nouveau accéléré à son passage entre les dés.Dési-gnons par V la valeur moyenne de la tension inter-électrodes relative à la durée de passage ;
l’énergie
de la
particule
s’accroît de ZeVpendant
latra-versée et sa vitesse d’une
quantité
Du telle queLe rayon de courbure de la
trajectoire
sousl’autre électrode
augmentera
à son tour pour quel’équation (1)
reste vérifiée. Le processus conti-nuera tant que les ions seprésenteront
entre les dés à des instants favorables à l’accélération.Schéma-tiquement,
latrajectoire
sera constituée àl’inté-rieur des électrodes par un ensemble de
demi-circonférences dont les rayons croissent
réguliè-rement et
qui
sont reliéestangentiellement
à traversl’espace qui sépare
les dés. Il y aurasynchronisme,
c’est-à-dire
possibilité
d’accélérations successives d’union, lorsque
lademi-période
1/2f,
de ladiffé-rence de
potentiel
appliquée
entre lesélectrodes,
seraégale
autemps t
qui
s’écoule entre l’entrée etla sortie d’une
particule
dans un mêmedé ;
or, comme nous avonst est
indépendant
du rayon ; c’est un invariant avec leshypothèses
faites.
La condition de
synchronisme,
dite encore derésonance,
est par suite -Quand
elle est réalisée laparticule
quitte
toujours
un dé au moment où la tension accélé-ratricereprend
la même valeur V.Après
un certain nombre de révolutions latrajectoire
a un rayon r,les ions ont subi n accélérations successives et
pos-sèdent une
énergie
cinétique
,ou encore
puisque
L’énergie
desparticules
dépend
donc seulement des valeurs de .B2 et de r2. La loi de variation des rayons destrajectoires
s’obtient àpartir
de(2)
Le ~r relatif à deux
spires
voisines à l’intérieurde la même électrode
est,
puisque
dans cescondi-tions f1E = 2
Ze Y,
Lorsque
lesparticules
accélérées sont des pro-tons lafréquence
de résonanceexprimée
enméga-cycles
par seconde estB étant le
champ
d’induction enkilogauss.
On aurait avec les mêmes unités dans le cas des deutons
L’énergie
des ions en MeV est calculable faci-lement pour lesprotons
et les deutons au moyendes formules
B étant
toujours
enkilogauss
et r, rayon de latrajectoire finale,
en centimètres.Domaine relativiste. - Les choses deviennent
moins
simples
quand
les vitesses atteintes par lesions arrivent dans le domaine de correction
relati-viste ;
la masse m desparticules
n’estplus
cons-tante,
elle croît àchaque
accélération. La condition desynchronisme,
lechamp
d’induction étanttoujours
supposé
constant,
n’estplus
satisfaite. Sur unetrajectoire
de rayon r la vitesse est infé-rieure à cellequ’on
aurait à larésonance ;
laparti-cule arrive avec un retard de
phase
dansl’espace
accélérateur ;
les retardss’accumulent
ets’amplifient
avecl’énergie
acquise
jusqu’au
moment où l’ion arrive entre les désquand
ladiffé-rence de
potentiel
est nulle. Cette cause relativiste dedéphasage
limitel’énergie
que l’onpeut
commu-niquer
auxparticules
par ceprocédé.
Pour compenser ces
retards
dephase
il semblequ’il
suffise,
en donnant une forme convenable auxpièces polaires,
des’arranger
pour que B croisse en29 A ZeB
rapports
ppf=
ZeB/203C0M.
2n M’ Malheureusement une telleconfiguration.
radiale duchamp
va à l’encontre d’une conditionimpérative,
celle d’obtenir une focalisation du faisceau d’ions dans leplan
médian des dés pour ne pas enperdre
une fractiontrop
importante.
Pour cela il convientque B
soit au contraire une fonction décroissante durayon. ’
Ces
deux,
conditions contradictoires fontqu’en
pratique
l’énergie
estlimitée,
pour desprotons,
à 30 MeV
environ,
bienqu’on
ait cherché à res-treindre ledéphasage
total en diminuant leplus
possible
le nombre des accélérations parl’appli-cation entre les dés de
tensions
trèsélevées
tout enévitant la formation
de décharges
disruptives.
Focalisationélectrique
etmagnétiques.
- Lesétudes
théoriques
de Rose et Wilson ont montré que les trajectoires des ions étaientcompliquées
par des oscillations verticales. Nous avionssupposé
initialement que les
lignes
de force duchamp
élec-trique
étaientrectilignes
etparallèles
auplan
desymétrie
horizontal des électrodes. Ellespossèdent,
enréalité,
une certainecourbure,
commel’indique
la
figure
2. Lacomposante
verticale duchamp
agit
FIG. 2. - Focalisation
électrique.
alors sur les
particules
dont la vitesse n’est pas dans leplan
médian, qui
est unplan
desymétrie
pour lechamp.
Ungrand nombre
departicules
ont unevitesse
oblique par
rapport
à ceplan ;
aux faiblesénergies
parexemple,
les chocs contre Les molécules du gaz résiduel modifient la direction des vitesses.De toutes
façons
lacomposante
verticale de la forceélectrique
les entraîneplus
ou moins vite vers lesparois
des dés où elles sont neutralisées. L’inter-valle accélérateur fonctionne comme une lentilleionique.
L’examen deslignes
dechamp
électrique
montre
qu’une
particule
circulant à l’intérieur d’undé,
en s’écartant duplan
médian,
serad’abord
ramenée vers
lui,
puis
s’en écartera. Cesdeux
effets ne secompensent
pas exactement parce quel’énergie
de laparticule
augmente
et que le champvarie
pendant
la durée de passage.Qualitativement
onpeut
dire que letemps
deséjour
dans lapartie
,divergente
duchamp
estinférieur
à celuipassé dans
lapartie
convergente
puisque
la vitesse de l’ionaugmente,
de sorte quedes deux
déplacements
verticaux,
lepremier
l’emporte ;
il y a focalisation. L’effet est encoreplus important,
comme le montre lecalcul, lorsque
laparticule
franchit l’intervallependant
ladécrois-sance de la tension accélératrice:
La focalisation par le
champ
électrique
n’a lieuqu’au voisinage
ducentre,
dans larégion
où les ions n’ont pas encore unegrande énergie ;
ellepeut
être améliorée àplus
grande
distancegrâce
.auchamp
magnétique
d’indauction. Dès que l’ons’approche
de lapériphérie
despièces polaires,
leslignes
de force ont une certainecourbure,
laconca-vité est tournée du côté du centre de
symétrie.
Laforce de Lorentz
d’origine magnétique agissant
sur un ion en mouvement en dehors du
plan
médian1 Fie. 3. - Focalisation
magnétique.
F force de Lorentz agissant sur l’ion I‘ dont la vitesse estperpendiculaire
au plan de la figure. (B champ d’induction magnétique en I.)est
dirigée
vers ceplan (fig.
3).
La décroissanceradiale du
champ,
qui
donne naissance à cet effetde
focalisation, peut
êtreprovoquée
ou amoindrieen modifiant l’entrefer. La mise en forme du
champ
se fait defaçon empirique
au moyen de couronne ou dedisques
de ferplacés
depart
et d’autre de la chambre ducyclotron.
La diminution duchamp
doit être faible afin de rester auvoisinage
de larésonance,
l’ordre degrandeur
étant de 1 à 2%
pour les raisons suivantes. La focalisation
électrique
étant bientot inefficace à une certaine distance ducentre,
il estavantageux
dedisposer
l’orifice de lasource d’ions au
voisinage
immédiat duplan
médian pour avoir le
plus
grand
nombrepossible
d’ions dont la vitesse initiale soit dans ce
plan ;
de
plus
on aura une intensité du faisceau d’ionsplus
grande
en aidant la focalisationélectrique
par une focalisationmagnétique
obtenue en faisantdécroître le
champ
d’induction,
dès
lecentre,
d’une valeursupérieure
à celle de la résonance pourarriver finalement à une valeur inférieure.
La décroissance
imposée
auchamp,
lelong
d’unrayon, a pour
conséquence
une variation de laphase
de la tension accélératricecorrespondant
àl’arrivée des
particules
entre les dés..Puisque
lechamp
au centre estsupérieur
à celui fixé par la condition derésonance,
les ions arrivent en avance dans l’intervalleaccélérateur ;
lecon-traire a
lieu, plus tard, quand
les ions arrivent dans larégion
où lechamp
d’inductionmagnétique
estdevenu inférieur au
champ
de résonance.30 A
doit être telle que le
champ
électrique
aille endécroissant
pendant
la traversée de l’intervalleentre les
électrodes,
lesparticules
dès lespremières
accélérations,
arriveront entre les dés avec une avance croissante avec le nombre des passages. Il ne faut pas que cette accumulation d’avances lesfasse arriver à l’instant où la tension
appliquée
entre les électrodes devient nulle ou
négative.
Ilconvient donc que les ions pénètrent dans la zone
où le
champ
est inférieur à celui de la résonanceavant cette éventualité. A
partir
de ce moment ilsprendront régulièrement
du retard àchaque
pas-sage. Le faisceau d’ions doit être
utilisé,
quand
par suite des retardssuccessifs,
ilspassent
entre les dés alors que la tension passe par unmaximum ;
c’est dans ces conditions que la variation du rayon
de la
trajectoire
entre deux traversées est laplus
grande.
Ainsi une fraction minime du faisceau ren-contre laparoi
verticale du déquand
il seprésente
à la fenêtre de sortie.
Description
desdivers
élémentsL’électro-aimant. - Pour des raisons d’économie
nous avons utilisé la carcasse d’un alternateur
formée de deux demi-anneaux
séparables
de 104 cm de diamètreintérieur,
de 41 cm delargeur
etde 10 cm
d’épaisseur,
dont lepoids
est de 1 200kg
environ. Ce sont ces dimensions
qui
ont étéimpé-ratives dans la suite du
projet
etqui
limitent lechamp
d’inductionqu’on peut
obtenir dansl’entre-fer. Le flux de fuites est en effet
plus important
dans un circuitmagnétique
de cette forme parrapport
à celuiqu’on
aurait dans un circuit à sectionrectan-gulaire
où les bobines d’excitationpeuvent
occuperune
grande partie
du volumedisponible.
Les deuxpièces polaires
sont descylindres
d’acier doux de 50 cm de
longueur
et de30,2
cm dediamètre,
l’entrefer a été amené à la valeur fixée enplaçant
entre les demi-anneaux des calesd’épais-seur
convenable ;
elles ont été retouchéesjusqu’à
obtenir un entrefer de hauteur constante à1/10
de mm
près.
Nous avonschoisi,
pour avoir une bonne marge de sécuritéquant
à la tenue à l’élé-vation detempérature
des bobines d’excitation(9
parpôles),
du fil de cuivre de1,3
mm de diamètreentouré par de la soie de verre
imprégnée
d’aralditequi
garde
sesqualités
isolantes jusque
vers 1800. Les faces dechaque
bobine sont en contact avec desplateaux de cuivre par l’intermédiaire de
disques
minces de
mécanite,
le même matériau les isole despièces polaires ;
on a soudé sur lapériphérie
desplateaux
des tubes de cuivre parcourus par uncourant d’eau
qui
assure un refroidissement efficace.La
génératrice
à courant continuqui
alimente lesbobines de
champ
débite auplus
32ampères
sous220 volts. Le courant d’excitation de cette
dynamo
est fourni par un groupeindépendant.
La mise enservice de l’ensemble est effectuée à
partir
d’unecabine
comportant
les relaistemporisés
habituels.La chambre d’accélération a une hauteur intérieure
de 70 mm. Le
champ
d’induction est constant dansl’entrefer à l’intérieur d’un cercle de 22 cm de
dia-mètre,
il décroît ensuite de 8%
quand
on se trouve à14,5
cm de l’axe despôles,
lechamp
au centre étant de 8 000 gauss. La décroissanceradiale
a été ramenée à 1
%
environ par correction aumoyen de
plusieurs
couronnes de tôle de diamètresintérieurs différents
empilées
dans 1,’entrefer.Dans l’état actuel
l’assujettissement
duchamp
à la condition de résonance se fait manuellement.L’élévation de
température
des bobines d’exci-tation entraîne une variation de leurrésistance ;
l’équilibre
detempérature
est atteint en deuxheures. Le
champ
est alorsstable ;
dans lapériode
transitoire oncorrige
la dérive duchamp
enagis-sant sur le courant d’excitation de la
génératrice
au moyen d’un rhéostat.
Mesure du
champ
magnétique.
- A côté desprocédés
classiques
une des meilleures méthodes pour mesurer unchamp
magnétique
d’induction àmieux que 10- 4
près
consiste à utiliser la résonancemagnétique
nucléaire. Enprincipe
les momentsmagnétiques
des atomes s’orientent dans lechamp
magnétique,
on provoque des transitions entre lesdifférents états
quantiques
au moyen de champsmagnétiques
variables en hautefréquence
dephase
et depolarisation
convenables. La condition de résonancemagnétique
nucléaire esty étant le moment
magnétique
du noyau, I le spindu noyau, v la
fréquence
derésonance, H
lechamp
d’inductionmagnétique.
Pour les
protons
I =1/2
et(J. =
(1,4100 ±
0,0002)!10-23
dyne/cm/gauss.
La
fréquence
de résonance est alors42,6
méga-cycles
dans unchamp
de 10 000 gauss.Quand
on veut mesurer deschamps plus
élevés on utilise une solution de chlorure de lithium afin d’avoir desfréquences
de résonanceplus
petites
(ILI7 = 3/2 yn7
=1,6443
10- 23dyne/cm/gauss).
Une condition essentielle est que
l’inhomogénéité
du
champ
ne soit pastrop grande.
La variation duchamp
dans le volume du corps utilisé ne doit pasen effet être
supérieure
à 10 gauss au maximum. La sonde est constituée par unpetite
tube conte-rant environ un centimètre cube d’eau tenant ensolution à faible
concentration
un selparamagné-tique :
chlorureferrique
ou sel demanganèse.
Le tube estplacé
dans unepetite
self dont l’axe estperpendiculaire
auchamp d’induction que l’on
désire mesurer. Elle est alimentée par le courant
haute
fréquence
d’un générateur
étalonné.31 A
champ
magnétique
en utilisant un cristal deger-manium
généralement
dutype
n ou mieux uncristal d’antimoniure d’indium. Taillé en forme de
parallélépipède
rectangle
de 5 mm delongueur
environ et
placé
perpendiculairement
auxlignes
duchamp,
ilpermet
la mesure duchamp
local à 1%
près.
Le coefficient de l’effet Hall est sous ladépen-dance de la
température.
Une variation de 10°entraîne une erreur de 4
%
avec legermanium ;
de même la résistivité dugermanium
est fonction duchamp magnétique.
La chambre étanche et les des
(fig.1).
- Lachambre est un anneau
cylindrique
en bronzede 360 mm de diamètre intérieur et de 460 mm de diamètre extérieur. La hauteur
disponible
àl’inté-rieur de l’enceinte est d e 70 mm. Elle est fermée par deux couvercles d’acier doux dont
l’épaisseur
est de 20 mmjusqu’aux
points
situés à 180 mmdu
centre ;
l’épaisseur ,
variebrusquement
alors etpasse à 18mm. C’est dans cette deuxième
partie
des deux couvercles que sontlogés
lesjoints
toriques
d’étanchéité en caoutchoucsynthétique.
Elle est munie d’un certain nombre d’ouvertures circulairespermettant
la liaison avec les pompes àvide,
le passage des conducteurs hautefréquence
portant
les dés et celui de l’alimentation de la sourced’ions,
de l’électrodedéflectrice,
etc... Toutes ces ouvertures sont rendues étanches par l’emploide
joints
toriques.
Lesdés,
portés
à l’extrémité des’conducteurs haute
fréquence, peuvent
êtredéplacés
de l’extérieur au cours du fonctionnement du cyclo-tron. Dans ce but chacun des conducteurs hori-zontaux est lié à unetige
isolante verticale enstéatite dont l’autre extrémité est solidaire d’une membrane en tombac
compressible
ou extensiblede
façon dissymétrique
au moyen de trois vis deréglage.
Les variations deposition
des dés influent sur l’intensité du faisceau d’ions reçu par unecible,
qui peut
être amené ainsi à sa valeuroptima.
Les déssont refroidis par contact avec la
ligne
haute fré-quencequi
lessupporte
etqui,
elle,
est parcourue par un courant d’eau.L’installation à vide. - Le volume à vider est de
l’ordre de 20 litres. L’installation
comporte
un groupe de pompage : pompe àpalettes,
pompe à diffusion de vapeurd’huile,
dont le débit avec robinet écran est de 150 litres seconde à 10’4 mmde mercure. Par un
jeu
derobinets,
onpeut
faire le vide. dans l’installation avec la pompe àpalettes
seule. Il a été faitusage’pour
réaliser lescanali-sations de tubes de cuivre
qui
servaient d’anodespour des
lampes
depuissance
etqui
parconsé-quent
neprésentaient
pas deporosité.
Tous lesjoints
sonttoriques
en caoutchoucsynthétique,
ils sont écrasés dans des gorges par serrage. Ledegré
de vide est mesuré avec une
jauge
àionisation,
lapression
obtenue est inférieure à 10-6 mm demercure.
Enfonctionnement
lorsque
del’hydro-- grène
estenvoyé
dans la source d’ions lapression
estde l’ordre de
1Ú-4
mm. Un tube àdécharge
estégalement
utilisé pourapprécier
le vide obtenu avant de mettre dans le circuit la pompe à diffusion.La source d’ions
(fig.
4).
-Après
divers essais nous avons utilisé letype
de source àdécharge
àFic..[4.
- Source d’ions.basse tension. Elle est constituée par une boîte
plate,
encuivre,
refroidie sur sapériphérie par de
l’eau circulant dans un
petit
tube de cuivre. Laface
supérieure
de la boîteporte
unpetit
tube de cuivre amovibledisposé
parallèlement
auxlignes
dechamp magnétique ;
son
extrémité est tailléeobli-quement.
Il contient un morceau degraphite,
percé
suivant l’axe. Il occupe une fraction de la
hauteur.
.cette source estquasi
ponctuelle ;
le diamètre du canal est de1,6
mm. A l’intérieur se trouve un filament detungstène
chauffé par un courant dehaute
fréquence.
Le gaz(hydrogène,
deutérium ouhélium)
arrive dans la boîte par unpetit
tube de cuivre. Le débit estréglé
par une fuite variable àvolonté
qui
est un robinet àpointeau
d’un modèle commercial. Les électrons sont accélérés par unedifférence de
potentiel
continue de 150 voltsenvi-ron
appliquée
entre
le filament et laboîte ;
ils ionisent le gazpar
choc.Le courant atteint
plusieurs
centaines demilli-ampères
quand
ladécharge
d’arc est amorcée. Lechamp
magnétique agit
sur le faisceau d’électrons et d’ions pour canaliser verticalement lestrajec-toires suivant les
lignes
de force. Ladécharge
tra-verse un canalpratiqué
dans legraphite ;
à l’inté-rieur de la source lapression qui règne
est de l’ordrede
1/100
mm de mercure. Le gaz s’écoule par lecanal ;
on fixe ses_dimensions,
qui dépendent
de lavitesse de pompage, de sorte que
la
pression
rési-duelle dans la chambre ducyclotron
soit seulementde 1 à 2 .10- 4 mm
de
mercure ; l’idéal étant d’avoir unepression
élevée
dans la source et inférieure à 10-4 mm dans la chambre. La tension haute32
deux triodes oscillatrices montées
symétriquement,
est amenée
depuis
la cabine par uneligne
coaxiale dontl’impédance
estadaptée.
Lapuissance
dis-ponible
est variable à volonté enagissant
sur lepri-maire du transformateur
qui
alimente leslampes
redresseuse.
En marche normale la
puissance
fournie au fila-ment est de 70 watts. A la sortie de la source onrecueille un courant d’ions dont l’intensité est de
l’ordre de
quelques milliampères ;
il est formé deprotons
H+ et de molécules une fois ioniséesH;.
L’intensité du
courant
reçu sur lacible, placée
sur lestrajectoires
des ionsqui
ont franchi l’ouverturede sortie
pratiquée
dans ledé,
atteint 6,micro-ampères.
Cette valeur n’est pas la valeurlimite ;
elle a été
augmentée
jusqu’à
10microampères
en chauffantdavantage
le filament. En maintenantl’intensité à 6
microampères
le filament adéjà
fonctionnéplus
de 300 heures sans incident. L’orifice de sortie de la source se trouveapproxi-
..mativement dans le
plan
desymétrie
horizontal desdés,
lesparticules susceptibles
de subir lecycle
complet
des accélérations étant cellesqui pénètrent
dans les cavités des électrodes au
voisinage
de ceplan.
Desplaquettes
decuivre,
fixéesobliquement
par
rapport
aux faces horizontales desélectrodes,
viennent
près
de l’orifice etaugmentent
l’émission utile de la source. La source d’ions estdéplaçable
de l’extérieur latéralement et verticalement
pen-dant le fonctionnement ce
qui
permet
de rechercher laposition
donnant le courant leplus
intense sur la cible.Générateur à haute
fréquence
(fig.
5).
- Lemontage
choisi est dutype
oscillateur à circuitFiG. 5. - Schéma de l’oscillateur haute
fréquence.
grille
accordé ;
les dés et les deux tubes de cuivrequi
lessupportent
à une extrémité etqui
sontréunis à l’autre par une self de
quelques
spiras,
constituent le cercuit
anodique ;
il estréglé
pourqu’il
fonctionne enquart
d’onde.Le
générateur comprend
deux triodes montéessymétriquement ;
ce sont des 3. T. 4 000 refroidieschacune par un ventilateur
placé
sur lesupport.
Elles sont
susceptibles
dedissiper
unepuissance
maximum de 4 kilowatts. La
ligne
hautefréquence
est
ouverte ;
lespertes
parrayonnement
sontplus
importantes
qu’avec
uneligne fermée,
mais lemon-tage
estplus
simple,
bienqu’il
soit nécessaire d’isoler les deuxlignes
parrapport
à la chambre ducyclotron,
cequi
neprésente
pas dedifficultés
particulières :
les-tensions utilisées nedépassantpas
quelques
dizaines de milliers devolts.
L’isolement a été réalisé à
partir
de 4lampes
oscillatrices depuissance
horsd’usage
dont les anodes extérieures en cuivre faisaient corps avec une couronne de ferro-chrome soudée elle-même au ballon de verre.Chacun des ballons a été divisé en deux pour
éliminer le
culot, puis, après
avoircoupé
unepartie
des
anodes,
les demi-ballons ont été associés parpaire
et resoudés. On a obtenu ainsi un ballon surlequel
sont soudés. 2 tubes aux extrémités d’undia-mètre. Sur les
portions
d’anodes conservées on a brasé des couronnes de laiton assezépaisses,
com-portant
un évidement pourloger
unjoint torique.
La
jonction
avec laligne
hautefréquence
est alors aisément effectuée.L’alimentation
anodique
dutype
classique
estfiltrée.
Lorsque
lapuissance demandée par
laligne
devienttrop grande,
parexemple
lors d’uncourt-circuit entre les dés et la masse au cours de
réglage,
undisjoncteur
entre en action et coupe la tensionanodique ;
desmilliampèremètres
et voltmètresindiquent
la tensionanodique,
le courantanodique
moyen et le courant
grille.
L’accord du circuit
grille
se fait par condensateur variable. Lafréquence
du circuitanodique
peut
être modifiée en faisant varier lalongueur
de laligne
par coulissement des tubestélescopiques
ou enchangeant
le nombre despires
de la selfplacée
entête.
Initialement le circuit a été
réglé
sur une lon-gueur d’onde de24,9
mètres soit12,04 mégacyles.
Lechamp
magnétique
de résonancecorrespondant
est de 7 973 gauss.
Étude
dumontage.
- L’étude de l’oscillateurpeut
être conduite de la manière suivante : On trace au moyen d’un émetteur étalonné la courbede résonance du circuit de
façon
àpouvoir
modifier les éléments pour serapprocher
de lafréquence
choisie. En mêmetemps,
on détermine laqualité
du circuit. Il reste à mesurerl’amplitude
de la tension entre chacun des dés et -la masse ducyclo-tron. Il est commode d’utiliser pour cela un kéno-tron dont la
plaque
est réunie à l’électrode dont on mesure lepotentiel
et la cathode à la masse parl’intermédiaire d’un condensateur shunté par une
résistance
importante
de l’ordre de 108 ohms ensérie avec un
microampèremètre.
Lacapacité
doitêtre,
et debeaucoup, supérieure
à lacapacité
est conductrice la différence de
potentiel
à sesbornes devient
égale
à la tension decrête,
carl’in-tensité du courant traversant la résistance ne
modifie pas de
façon
sensible lacharge
de lacapa-cité
puisque
avec les valeurs choisies la constantede
temps
du circuit est trèsgrande
parrapport
à lapériode
des oscillations. Si on veut connaître pen-dant le fonctionnement ducyclotron
la tension entre les dés on utilisera unepetite
sonde circulaire isolée de la chambre voisine d’un dé. Elle est reliée à une armature d’un condensateur dont l’autre arma-ture est à la masse, on forme ainsi un diviseur capa-citif. On mesure la tension aux bornes de ceconden-sateur avec un voltmètre
électronique
dont les indri-cations sont reliées aux résultats obtenus par laméthode
précédente.
Le
cyclotron qui
a été construit fonctionne avec uneamplitude
de tension entre les désqui peut
atteindre 16 000 volts.Déflecteur. - Pour éviter les
perturbations
apportées par
lechamp magnétique
dans le fonc-tionnement desmontages
électroniques
détecteurs departicules
on est amené àdiriger
le faisceaud’ions sur une cible située en dehors du
champ ;
enmême
temps
la cible est en dehors du domained’action de la haute
fréquence.
La déviation estobtenue en
général
au moyen d’une différence depotentiel
continueappliquée
entre la masse et uneélectrode déflectrice : lame de cuivre
parallèle
à laparoi
verticale du dé etqui
est reliée aupôle négatif
de la tension.
La force
d’origine électrique agissant
sur les ions estradiale,
elles’ajoute
à la forcecentrifuge
f
=Mv2/r ;
de cetteégalité
on déduit enprenant
les différentielles
logarithmiques
des deux nombresen
remarquant
que Mv2 reste constant.La variation
~f
def provient
duchamp
électro-statique
hagissant
sur l’ion decharge
ze c’est hze on a donc trèsapproximativement
ou, en
désignant
par V la différence depotentiel qui
pourrait communiquer
aux ionspris
initialement au repos, leurénergie
finaleCette relation
permet
deprédéterminer
hquand
on s’est fixé le
rapport Arir
nécessaire pour amener les ions à passer en unpoint
déterminé.Le calcul n’est
qu’approximatif
car lechamp
entre le dé et le déflecteurqui agit
sur les ions n’estpas constant. Les ions du faisceau
pénètrent
dans cechamp
à peuprès
au milieu du dé où se trouve lafenêtre de
sortie,
c’est-à-dire à des instants pourlesquels
lepotentiel
du dé est voisin de zéro et detoute
façon
va encroissant ;
lechamp
augmente
donc ce
qui
est favorable à ladéflection ;
il fautremarquer
encore que les ions sont conduits vers lapériphérie
despièces polaires
où lechamp
magné-tique
diminuerapidement
cequi
est une caused’augmentation supplémentaire
de rayon de cour. bure destrajectoires.
Après
avoir ainsi calculé une valeurapprochée
duchamp,
on cherche à recevoir le faisceau sur lasonde, placée
dans uncylindre
fixé à la.chambre et assezlong
pour que la cible soit en dehors deslignes
de force duchamp magnétique.
En faisant varier lepotentiel
continuappliqué
sur ledéflec-teur,
le courant sur la cible passe par un maximumassez net. On
peut
ensuiteagir
sur laposition
de l’électrode déflectrice commandée à l’extérieur parla déformation d’une membrane. Il est commode d’ailleurs d’observer les dimensions et la
position
du faisceau en le recevant sur une sonde recouvertede sulfure de zinc fluorescent
qui
est vue à travers uneglace
obturant une ouverture de la chambre :L’intensité du faisceau reçu par la cible est
réduite de
façon
trèsimportante
d’environ 90%
après
déflection. Les ionsn’ayant
pas tous étéaccélérés au même instant à la sortie de la source
n’ont pas la même
énergie,
lefaisceau
a unecer-taine
largeur
par l’action duchamp
électrostatique.
Un certain nombre d’ions vient rencontrer les
parois
et est
perdu.
La tension continue alimentant le déflecteur est fournie par un
montage
redresseurclassique ;
ellepeut
varier à volonté de 2 000 à 30 000 volts. Uneself de choc est intercalée entre l’électrode déflec-trice et
lé
pôle négatif
de la hautetension ;
uncondensateur est
placé
en dérivation entre cetteélectrode et la masse de
façon
à ce que lescharges
variables en hautefréquence
du déflecteurpuissent
s’écouler au sol sans traverser lemontage
four-nissant la tension. L’électrode déflectrice estportée
à l’extrémité d’unetige
qui
traverse un bloc deplexiglass
servantd’isolant,
la membrane et’enfin une ouverturepratiquée
dans la chambre ducyclo-tron. L’étanchéité est assurée à la manière
habi-tuelle.
Recherche des conditions de fonctionnement.
--La mise en évidence du fonctionnement du
cyclo-tron s’effectue au début au moyen d’une sonde : :
lame de cuivre ou de
graphite portée
à l’extrémitéd’une
tige
rectifiée en acierinoxydable
nonmagné-tique.
Latige peut
coulisser dans un tube deplexiglas qui
traverse uneplaque
de laiton obturant une ouverture circulairepratiquée
dans la chambredu
cyclotron.
La sonde est ainsi isoléeélectri-quement
de la masse ; l’étanchéité au vide est assurée parjoints
toriques pour la
plaque
et letube,
unpetit joint,
dont le diamètre intérieur est34 A
habituelle ;
la sonde est facilementdéplaçable
sous vide entre les dés.La sonde doit être
placée
à l’intérieur d’une boîteà
parois
de cuivre mince évidemment ouverte sur une face pour que les ions du faisceaupuissent
ypénétrer.
Elle est reliée à la masse. La sonde est presque en contact avec laparoi
verticale de la boîte laplus
voisine du centre de la chambre. Ceblindage
de la sonde estindispensable
sinon lecourant reçu par la cible est la somme du courant
d’ions
qui
ont subi àpartir
de la source lesaccélé-rations normales successives et du courant pro-venant d’ions
vagabonds beaucoup plus
nombreux formés dans la chambre par lechamp
de haute fré-quenceappliqué
sur les dés. Ces courantsparasites
empêchent
l’observation de la résonancequand
on fait varier lechamp
magnétique.
La courbe ducourant reçu par la sonde en fonction du
champ
doit passer par un maximum
aigu
alors que sansblindage
on obtient des courbesprésentant
plu-sieurs maxima extrêmement peu
prononcés
etaplatis.
La
largeur
de la courbe de résonancepermet
d’apprécier
le fonctionnement. Les courants sur lacible sont mesurés avec un
galvanomètre
de table àplusieurs
sensibilités ;
il est inséré entre la sondeet la masse et shunté par un condensateur servant
de court-circuit pour les courants de haute fré-quence
qui
pourraient
traverserl’appareil
demesure.
Dès
qu’on
a obtenu une courbe de résonance ilest facile de
parfaire
tous lesréglages
et de voirl’influence des anneaux de correction et de mise en forme du
champ
defaçon
à obtenir le maximum du courant reçu par la cible.Utilisation du faisceau. - Les émulsions
nucléaires
permettent
dans certains cas l’étude desréactions nucléaires dans la chambre même du
cyclotron
ainsi que la détermination del’énergie
finale des ions du faisceau. Elles sont commodesd’emploi
par leur faible encombrement et leur sensibilitécontinue ;
elles évitent d’avoir à dévierle faisceau par un
champ électrostatique
pour l’amener sur la cible dans unerégion
où lechamp
magnétique
a une influencenégligeable
sur lesappareils électroniques
de détection et où lechamp
de hautefréquence
est sans action sur la cible.Pour un
petit cyclotron
on évite ainsi une dimi-nution considérable de l’intensité du faisceauqui
est normalement
petite
car les ions du faisceaun’étant pas monocinétiques, leur déviation par un
champ électrique
auxiliaire conduit à un étalementimportant
destrajectoires qui
viennent rencontrerles
parois.
Le morceau deplaque
nucléaire estplacé
derrière unepetite
ouverturepratiquée
dans une boîtemétallique
qui
le contient etprotège
l’émul-sion de l’action des ionsvagabonds
et de la lumièreprovenant
de la source d’ions. Leplan
de l’émulsion est incliné defaçon
à ce que lesparticules
lapénètrent
sous une incidence voisine de l’incidencerasante. L’examen des
trajectoires
et la mesure dela mesure de leur
longueur
sont ainsi facilités.Par cette méthode l’étude des
désintégrations
deséléments
légers
par lesprotons
et les deutons estrelativement
facile ;
onpeut
déterminer lespectre
d’énergie
desparticules
émises au cours de laréaction nucléaire et leur distribution
angulaire
ainsi que la section efficace.
Les cristaux scintillateurs concourent au même
but,
deplus
certains d’entre eux sont sensibles auxphotons
y, ilspermettent
l’étude descaptures
radiatives,
des diffusionsinélastique,
etc...Le cristal choisi suivant le
rayonnement
àdétec-ter,
estplacé
auvoisinage
de la cible il doit être recouvert d’un film mince opaque à la lumièretoujours
présente
dans la boîte ducyclotron.
Il est
en contact
optique
avec unguide
lumière constituépar un
cylindre
dequartz
ou deplexiglas
enfermédans un tube d’un métal non
magnétique.
Lesscin-tillations sont transmises par une suite de réflexions
totales jusqu’à
unphotomultiplicateur
ainsiéloigné
du
champ magnétique.
Le tubecomporte
unépau-lement
qui
s’appuie
sur la boîte ducyclotron,
l’étanchéité étant assurée
toujours
par unjoint
torique.
Manuscrit reçu le 14 janvier 1958.BIBLIOGRAPHIE Articlés généraux :
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