(dont les synchro-cyclotrons) et des synchrotrons en protonthérapie
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À propos des cyclotrons (dont les synchro-cyclotrons) et des synchrotrons en protonthérapie Décembre 2010 Institut Curie – Centre de Protontherapie – Orsay [email protected] [email protected] introduction Deux types d’accélérateurs de particules sont aujourd’hui utilisés en protonthérapie: - les cyclotrons - les synchrotrons Ce petit mémo a pour vocation à clarifier les appellations et les principes de bases associés. Une synthèse est donnée en dernière page. Principe d’accélération d’une particule 1. Une particule chargée soumise à un champ électrique est accélérée 2. En associant plusieurs sections simples, parcourues par un champ électrique, on obtient un accélérateur linéaire, également appelé « linac » + + + Le cyclotron: premier principe d’accélération circulaire Le cyclotron, mis au point dans les années 1930, permet d’avoir plusieurs séquences d’accélération sur un périmètre limité. Un champ magnétique courbe la trajectoire des particules. A chaque passage entre les « Dees », les particules sont accélérées. Ainsi la trajectoires des particules est une spirale. Dans les cyclotrons de faible énergie, un champ magnétique constant et un champ électrique à fréquence constante permettent d’accélérer des particules jusqu’au périmètre extérieur. Une limitation physique, 2 solutions pour s’en affranchir A partir d’une certain niveau d’énergie, et du fait de phénomènes relativistes, l’accélération des particules n’est plus proportionnelle au champ électrique subi. Deux types d’alternative sont alors possibles en termes de concepts et de technologie: 1. La première solution mise en œuvre fut celle du synchro-cyclotron: le champ magnétique reste globalement fixe, mais l’onde électromagnétique (le champ électrique) d’accélération est formatée pour être « synchrone » aux particules. 2. La seconde solution consiste à garder une onde électro-magnétique d’accélération à fréquence constante. En revanche la géométrie du cyclotron, tant sur la position des cavités accélératrices que sur la cartographie du champ magnétique, est adaptée pour que les particules soient toujours accélérées. Une de ces solutions est le cyclotron isochrone. 1 exemple de synchro-cyclotron: le SC200 d’Orsay Un accélérateur conçu et développé par l’Institut de Physique Nucléaire d’Orsay (CNRS) entre 1972 et 1978, puis utilisé jusqu’en 2010 (de 1991 à 2010 pour la protonthérapie) Champ magnétique : 1,6 Tesla. Poids de la culasse: 700 tonnes (!) L’onde électromagnétique suit une courbe spécifique grâce à une ligne haute-fréquence incluant un condensateur rotatif. La fréquence varie progressivement de 25,4 Mhz à 19,6 Mhz. Les faisceaux sont des paquets durant 20us toutes les 2,2 ms Energie du faisceau extrait: 201 MeV 1 exemple de cyclotron isochrone: le C230 de IBA L’onde électromagnétique accélératrice a une fréquence fixe d’environ 106 Mhz. La géométrie interne du cyclotron est spiralée: - 2 cavités accélératrices - 4 secteurs de champs magnétiques (vallées, collines) usinés à façon pour avoir une cartographie magnétique ad hoc - champ magnétique variant de 1 à 2,9 Teslas - poids total du cyclotron: 250 tonnes Le faisceau de particules extrait est continu. Energie du faisceau extrait: 230 MeV Le synchrotron: le second type d’accélérateur circulaire Dans un synchrotron, les particules circulent sur la même trajectoire en traversant à plusieurs reprises différents types d’éléments: - des sections accélératrices (mini linacs) - des dipôles magnétiques (pour incurver leurs trajectoires) - des quadripôles (pour focaliser le faisceau) Lors de chaque passage, le réglage des éléments est adapté pour l’accélération progressive et la montée en énergie des particules. L’énergie des faisceaux extraits d’un synchrotron est donc réglable. Un exemple de synchrotron: Mitsubishi -250 MeV Les particules sont injectées dans l’accélérateur via un RFQ linac à 3 MeV Le diamètre du synchrotron est de 6 m L’énergie des particules à l’extraction est variable et peut arriver à un maximum de 235 MeV Le nombres de particules pendant 2 seconds peut arriver à 5*1010 ppp 3 remarques - on a évoqué ici de manière simple les 2 types d’accélérateur utilisés aujourd’hui en protonthérapie. Beaucoup de considérations scientifiques (ex: focalisation des faisceaux et stabilité des orbites) ou technologiques n’ont pas été mentionnées. Pour plus de détails sur les cyclotrons voir par exemple (de Eric Baron): http://sfp.in2p3.fr/accelerateur/cours/Les-cyclotrons-version4.pdf On ne peut pas véritablement parler de concept « anciens » ou « modernes ». Pour exemple le synhcro-cyclotrons longtemps considérés comme « has been » sont actuellement reconsidérés comme solutions potentiellement intéressantes en protonthérapie. De même qu’en recherche en physique les Linacs reviennent après avoir été supplantés par les synchrotrons. -En protonthérapie, les performances essentielles attendues sont: - stabilité des caractéristiques des faisceaux au regard des exigences cliniques, en particulier les nouvelles méthode de balayage du faisceau - fiabilité et maîtrise dans le temps Synthèse des accélérateurs pour la protonthérapie 1. Les cyclotrons sont des accélérateurs où la trajectoire des particules est en spirale. L’énergie des particules extraites est fixe. 1.1.Pour les cyclotrons isochrones, la fréquence de l ’onde accélératrice est fixe et la géométrie du champ magnétique complexe 1.2. Pour les synchro-cyclotrons, la fréquence de l’onde accélératrice est variable 2. Dans les synchrotrons, les particules circulent plusieurs fois sur la même trajectoire en traversant différents types d’éléments (cavités, dipôles, …). L ’énergie des particules extraites est ajustable.
