Guide d`accélération progressif

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Pourquoi accélère-t-on des électrons?
On accélère ces particules pour les faire entrer en collision soit avec une cible fixe, soit entre eux. Cela permet
l'étude des constituants de la matière ainsi que leurs interactions. D?après la formule E=mc2 d'Einstein, tout corps
possédant une masse peut se transformer en énergie s'il est accéléré à la vitesse de la lumière. On accélère toujours
des particules chargées comme les protons, les électrons, les positrons et les anti-protons[1]. Ainsi, la composante
de l' accélérateur linéaire (LINAC) permettant d'accélérer les électrons à une vitesse se rapprochant de la vitesse de
la lumière est le guide d?accélération. Il se situe tout juste après les cavités de groupement et avant la tête de tri et
de déviation. Deux types différents de guides d'accélération peuvent être retrouvés au sein du LINAC, variant selon
la préférence du constructeur (Varian,Elekta, Siemens). Tous deux reposent pas contre sur le même principe
d'utilisation d'une onde électromagnétique et de transfert d'énergie à des électrons. Il s'agit des guides
d'accélération linéaire et stationnaire.
Guide d'accélération progressif
Guide d'accélération progressif
Le guide d?accélération progressif se compose d?un tube de cuivre d'un mètre de long dont le diamètre est
d'environ 20 à 30 cm. Il comprend plusieurs cavités trouées en leur centre nommées iris [2]. Ces cloisons sont
placées l?une par rapport à l?autre à une distance de plus en plus grande au sein du tube. À l'inverse, le diamètre du
trou central de chaque iris est plutôt graduellement diminué d?une cavité à l?autre. Cette construction particulière
permet de réduire la réflexion possible des ondes sur le tube et de focaliser les électrons. Il est ainsi possible
d?accroître significativement l?accélération et la vitesse finale des électrons.
Principe de fonctionnement
Le fonctionnement du guide d?accélération progressif repose sur l?utilisation de micro-ondes (fournies par un
klystron ou un magnétron) afin d?accélérer des électrons jusqu?à une vitesse frôlant celle de la lumière. Ainsi, les
ondes sont d?abord décélérées dans le but de les rendre à la même vitesse initiale que les électrons sortant des
cavités de groupement. Les électrons se laisseront alors guider par les micro-ondes qui voyagent dans un seul sens
d'une cavité à l'autre. Grâce aux micro-ondes, il règne à l?intérieur du guide d?accélération un champ électrique
alternatif. Celui-ci, variant d?une charge positive, à nulle, à négative, alterne dans chacune des cavités du guide en
fonction du temps. Afin d?accélérer adéquatement les électrons, ces derniers ne doivent arriver dans une cavité
seulement qu?au moment où il y règne un champ positif. Autrement, les électrons seront ralentis en phase négative
du champ électrique ou verront leur vitesse inchangée en phase nulle. De ce fait, en synchronisant l?arrivée des
électrons dans chacune des cavités avec la phase positive du champ électrique, il devient alors possible d?accélérer
successivement les électrons jusqu?à environ 98% de la vitesse de la lumière. Ce système permet de transférer
jusqu'à 10 MeV par mètre.
Variation du champ électrique dans les 4 premières cavités sur une période
Guide d'accélération progressif
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Avantages
- Étant moins complexe à construire,son coût est moindre que celui du guide d?accélération stationnaire.
- Son fonctionnement particulier permet d'obtenir plus facilement un appareil de traitement comportant plus
qu?une seule énergie de photons.
Désavantages
- Sa longueur n?étant pas à négliger, l'utilisation de ce guide d?accélération requiert un accélérateur linéaire
suffisamment spacieux pour l?héberger. On ne le retrouvera donc pas dans des appareils ayant une tête plus petite,
comme dans le cas du Cyberknife par exemple.
Guide d'accélération stationnaire
Principe de fonctionnement
Comme son nom l?indique, le guide stationnaire utilise des ondes stationnairespour accélérer les électrons. Les
ondes électromagnétiques de haute fréquence sont produites par un klystron ou un magnétron. Elles sont ensuite
injectées au centre du guide stationnaire formé de quatre cavités. En effet, dans ce type d?accélérateur, l?onde
incidente va être réfléchie, et c?est l?interférence de l?onde incidente avec l?onde réfléchie quand toutes les deux
sont positives qui va créer une super-onde. Alors, les électrons sont accélérés par transfert d'énergie. Ils sont
susceptibles de recevoir jusqu'à 20 Mev d'énergie par mètre.[3]
onde stationnaire
L?analyse d?un graphique d?une onde stationnaire nous montre que l?accélération des électrons ne subit aucun
changement à ?/2 parce que le courant est nul.
Ainsi, dans l?accélérateur stationnaire, une cavité sur deux n?a aucune influence sur l?accélération des électrons.
Elles sont dites «cavités de couplage». Théoriquement, dans une cavité accélératrice, le champ électrique est le
double. Ceci suppose donc que le transfert d'énergie aux électrons est très important. Pour cette raison, le principe
du guide stationnaire est plus efficace. [4]. Le tableau suivant montre la variation du champ électrique dans les
quatre premières cavités sur une période.
Variation du champ électrique résultant dans les quatre premières cavités sur une période (guide des technologies de
l'imagerie médicale et de la radiothérapie p. 258)
Guide d'onde stationnaire 6MV
Avantages
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En effet, les cavités de couplage sont construites de part et d'autre des cavités d'accélération, ce qui permet de
diminuer de 50% la longueur du guide d'onde.[5]
Avantages
Bien que le guide stationnaire soit complexe à construire, il est privilégié par les manufacturiers pour ses
avantages :
- La longueur est plus petite du fait qu?il a quatre cavités et que la section nécessaire pour l'absorption de l'énergie
résiduelle est non nécessaire. [4].
- Toute la puissance produite est utilisée, ce qui veut dire qu?un transfert d?énergie plus important vers les
électrons a lieu. Donc, on obtient un meilleur rendement.
- Il offre une possibilité d'obtenir aisément de différentes énergies.
Désavantages
- Il est compliqué à construire.
- Il est dispendieux, ce qui rend le coût des accélérateurs élevé (comme le Cyberknife qui vaut $4 millions).[6]
- Il est plus compliqué d'obtenir différentes énergies de photons.
Cyberknife
Le guide d?onde stationnaire a permis la construction d?un appareil révolutionnaire comme le Cyberknife; un
appareil qui a donné une nouvelle dimension et de nouveaux espoirs dans le domaine de la radiothérapie.
Magnétron
Historique
Magnétron
L?invention du magnétron est attribuée à l?ingénieur américain Albert W.Hull, en 1920 au laboratoire de recherche
de la General Electric à Schenectady, New York.
En 1929,Kinjiro Okabe a obtenu un brevet lorsqu?il a divisé l?anode en deux morceaux. Cela a permis au
magnétron de passer du domaine des hautes fréquences (10 à 100 mètres de longueur d?onde) à des valeurs
décimétriques.
Le 27 novembre 1935, Hans Eric Hollman a obtenu un brevet pour le premier magnétron à cavités multiples.
Principe de fonctionnement
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En 1940, deux physiciens John Randall et Harry Boot de l?Université de Birmingham développent un magnétron
avec des puissances accrues ayant une structure de six cavités cylindriques au lieu de l?anode à segments
multiples.
Principe de fonctionnement
Le magnétronest considéré comme une diode, car il est un tube à vide n?ayant pas de grille d?arrêt. Le magnétron
est de forme circulaire et il y a une cathodeau centre de l?appareil. Cette cathode contient un fil qui est chauffé par
un fort courant électrique et qui émet des électrons par effet thermoïonique. Ces électrons sont déviés par un champ
magnétique perpendiculaire au champ électrique et se rendent vers l?anode. À cause du champ magnétique et de
l?attraction de l?anode, le mouvement de rotation des électrons est cycloïdal autour de la cathode. De plus, le
magnétron est aussi appelé auto-oscillateur ou oscillant, car le mouvement des électrons permet une oscillation du
champ électrique dans les cavités. Lorsque les électrons atteignent l?entrée de la cavité, une partie de leur énergie
se transforme en une onde à haute puissance grâce au champ électrique. Le même principe se retrouve dans les
fours à micro-ondes. Les fréquences ou les puissances du magnétron sont de 600 à 30 000 MHz.
Klystron
Historique
Klystron
Plusieurs ont contribué à cette invention, incluant le professeur D.A.Rozhanskyqui, en 1932, a proposé une
méthode pour varier la densité des lasers. Mais, le brevet a été émis aux frères Russel et Sigurd Varian en 1937 à
l?Université de Stanford. Robert Stutton a développé un klystron plus maniable en 1939. La puissance de ce
klystron peut atteindre plus de 1000 kW.
Principe de fonctionnement
Le klystron est un tube à vide qui est utilisé comme un amplificateur de micro-ondes. Il requiert une source haute
fréquence de basse puissance.
Le canon à électronsest composé d?un filament qui propage des électrons par effet thermoïonique. Le faisceau
d?électrons crée dans la première cavité un champ sinusoïdal. Ce champ électrique, selon son amplitude ou sa
polarité, accélère ou ralentit les électrons qui circulent dans la première cavité.
Le faisceau d?électrons traverse par la suite les cavités intermédiaires. À l?entrée de celles-ci, les électrons libres
de la grille se font repousser, ce qui induit un courant électrique. Un courant inverse va se produire lorsque le
paquet d?électrons va se rapprocher de la prochaine grille. Ce mouvement d'oscillation du courant électrique
produit des micro-ondes.
Le collecteur recueille et dissipe l?énergie restante des électrons. Il est refroidi par la circulation d?eau.
Le klystron comporte plusieurs avantages. En effet, il est très simple d'utilisation et peu encombrant. De plus, il
fournit une puissance élevée, il a une longue durée de vie et ses dimensions et son poids sont réduits.
Historique
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Références
1. ? Science for every one
2. ? Gray Cancer Institute,The Novice's Guide to Electron Linear Accelerator, 1996
3. ? Laplante Isaac, notes de cours du Fascicule #3-1/automne 2014
4. ? 4,0 et 4,1 Dillenseger P., E. Moerschel, Guide des technologies de l'imagerie médicale et de la
radiothérapie, 2009, Elssevier Masson
5. ? ERVIN B. PODGORSAK, Treatment Machines for external Radiotherapy, Review of Radiation
Oncology Physics: A Handbook for Teachers and Students CHAPTER 5
6. ? Cadth 25
Références
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