Brevet FR2176505A1 — publié le 19731102

les qualités fondamentales des dispositifs utilisant des faisceaux de particules accélérées et, plus particulièrement, les dispositifs médicaux d'irradiation utilisant de tels faisceaux, sont étroitement liées à la sécurité de leur fonctionnement puisque, dans le cas daaccélérateurs de particules à haute énergie, la valeur de la dose d'irradiation que ces dispositifs permettent d'obtenir ne doit jamais dépasser une valeur prédéterminée Be façon générale, les systèmes de sécurité sont prévus de telle sorte que l'appareil irradiateur s'arr8te de fonctionner dès qu'unie variation anormale de la valeur de la dose d'irradiation est enregistrée. Mais, ces systèmes de sécurité sont réalisés au moyen de systèmes électroniques qui sont eux-m8mes soumis à des systèmes contrt- lant leur fonctionnement. Tout ceci conduit à des circuits électriques et électroniques très compliqués et susceptibles dans tous les cas de se trouver en défaut. L'accélérateur de particules, objet de l'invention, ne permet en aucun cas le dépassement de la valeur maximum, prédéterminée, de l'énergie des particules accélérées. Suivant l'invention, un accélérateur de particules comprenant une source (K) de particules, une structure accélératrice (A) pour accélércr le faisceau de particules de courant I, des moyens de couplage électromagnétique de ladite structure (A) à un générateur hyperfréquence, des moyens de contrdle de 11 énergie hyperfréquence w injectée dans ladite structure (A), une cible (C), est caractérisé en ce que l'impédance Z de ladite structure (A) est choisie de telle sorte que, pour une valeur donnée de ladite énergie hyperfréquence et un courant I donné, la dose D d'irradiation définie par la relation D = k (WO - ZI)n I corresponde à la valeur maximum de ladite relation, k et n étant des facteurs numériques dépendant de la nature des particules et de celle de la cible et WO = L'invention sera mieux comprise et autres caractéristiques apparattront à l'aide de la description ci-après et des dessins qui l'accompagnent et sur lesquels La figure 1 représente schématiquement un accélérateur suivant l'invention. La figure 2 représente la variation de 11 énergie W du faisceau en fonction de son courant I pour différentes valeurs de W0 (courbes a) et la variation de la valeur de llintensité de dose D dtirradia- -tion en fonction de ce meme courant I (courbes b) pour différentes valeurs de W. le perfectionnement de llaccélérateur,objet de l'invention, est basé sur la propriété suivante Dans le cas d'un accélérateur linéaire fournissant un faisceau de particules accélérées pouvant titre utilisé pour irradier un matériau ou un malade (application médicale), il est possible de choisir des dimensions de structure accélératrice telles,que tout déréglage possible des paramètres de fonctionnement corduise obligatoirement à une diminution de la valeur de la dose d'irradiation ou "débit de dose". Un accélérateur suivant l'invention est représenté schématiquement en figure 1. Il comporte, dans une enceinte à vide E, une cathode E émettrice d'électrons, des électrodes 1 et 2 de contrôle du faisceau F d'électrons, une structure accélératrice A constituée par des cavités résonnantes hyperfréquence 3, 4, 5, 6, de forme cylindrique, dont une au moins (ici la cavité 3) est couplée au moyen d'une boucle B à un générateur hyperfréquence (non représenté sur la figure),permettant d'injecter dans les cavités,une énergie électromagnétique w, ces cavités étant séparées les unes des autres par des diaphragmes 10, 11, 12, 13, percées d'orifices 20, 21, 22, 23, de forme circulaire dont les diamètres respectifs vont en diminuant dans le sons de propagation du faisceau.Ces diaphragmes 10, 11, 12 et 13 ou "iris", ont des dimensions telles, que la valeur de l'im pédante interne Z de la structure accélératrice dans laquelle se propage le faisceau de courant I, limite l'énergie W du faisceau de particules accélérées de façon que celle-ci ne puisse en aucun cas dépasser une énergie W prédéterminée. Si l'on se fixe l'énergie "à vide" W0, correspondant à l'énergie d'un faisceau de courant sensiblement nul et accéléré dans la structure (A), cette énergie Wo = f(w), dépendant de la puissance HF w injectée dans les cavités accélératrices, énergie W du faisceau de particules accélérées, (de courant I) à la sortie de l'accélérateur, peut s'écrire W=W0 -ZI (1) W étant exprimé en électron-volts. Cette relation est représentée par les courbes a1, a2 de la figure 2 qui donnent ces valeurs de W en fonction du courant I pour une valeur prédéterminée de Z, soit W ss W les courbes a1 et a2 correspondant à deux valeurs différentes de W0. le faisceau de particules, d'énergie W, libère en venant frapper la cible C, un rayonnement de photons dont 11 intensité de dose, ou "débit de dose",D est donnée par la relation D = k Wn I (2) k et n étant des facteurs numériques dépendant de la nature des particules et de celle de la cible qu'elles viennent frapper. les courbes b1 et b2 de la figure 2 montrent les variations du "débit de dose" D en fonction du courant I pour deux valeurs différentes de W0. Un dispositif de sécurité, non représenté sur la figure, bloque mécaniquement ltalimentation haute-tension du générateur H.F. qui fournit l'énergie H.F. aux cavités résonnantes 3, 4, 5, et 6, de telle façon que l'énergie w injectée dans ces cavités ne dépasse jamais une valeur fixée, a'où la valeur W0 = f(w) fixée. Dans la pratique, pour déterminer les dimensions de la structure, on se fixe le débit de dose" Dm maximum ainsi que l'énergie " à vide" WO du système. Des relations (1) et (2), on tire D = k(Wo - Z I)n I (3) A une valeur choisie da courant I correspondra alors une valeur de l'impédance interne Z telle que la valeur du "débit de dose" be b1 maximum que (par elcemple)représentant les variations de D en fonction de I. Si l'on désire alors diminuer la valeur de Dm, . il suffit de choisir une valeur quelque peu différente de W0. C'est ce que montrent les courbes b, b2 correspondant à deux valeurs différentes de W0 (donc à deux valeurs différentes de W = W0 - Z I, fonction de I). Si une variation de la valeur fixée Ij du courant I intervient, la valeur du "débit de dose" D sera alors toujours inférieure à Dm Dans l'exemple de réalisation montré en figure 1, les ouvertures 20, 21, 22, 23, des "iris" 10, il, 12, 13, varient progressi vexent de = 18 mm à ld = 15 mm, dans le sens de la propagration du faisceau. les résultats correspondants à une telle structure sont donnés à titre indicatif. Un faisceau d'électrons accélérés de courant I = 40 /uA et d'énergie W = 5 Mev, libère, en frappant sur une cible de tungstène de 3,9 mm d'épaisseur, un rayonnement X dont le "débit de dose" maximum Dm est égal à 280 rontgens/mm, les paramètres k et n ayant respectivement pour valeurs k = 0,077 et n = 2,7 Bien entendu, ces valeurs sont données à titre d'exemple non limitatif. le dispositif peut, en particulier, fonctionner avec des particules autres que des électrons et la cible peut être réalisée en un matériau différent du tungstène. REVENDICATIONS 1. Accélérateur de particules comprenant une source (K) de particules, une structure accélératrice (A), pour accélérer le faisceau de particules de courant I, des moyens de couplage électromagnétique de ladite structure (A) à un générateur hyperfréquence, des moyens de contrtle de l'énergie hyperfréquence w injectée dans ladite structure (A), une cible (C), caractérisé en ce que l'impédance Z de ladite structure (A) est choisie de telle sorte que, pour une valeur donnée de ladite énergie w hyperfréquence et un courant I donné, la dose D d'irradiation définie par la relation D = k (W0 - Z I)n I corresponde au maximum de la courbe représentative de la variation de D en fonction de I, k et n étant des facteurs numériques dépendant de la nature des particules et de celle de la cible, et W =f(w) étant l'énergie t'à vide" correspondant à un courant I sensiblement nul. 2. Accélérateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite structure (A) comporte une pluralité de cavités résonnantes (3, 4, 5, 6) séparées entre elles par des iris (10, 11, 12, 13) dont les dimensions sont déterminées suivant ladite impédance Z choisie. 3. Accélérateur suivant la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits moyens de contrdle de ladite énergie hyperfréquence comportent un système de blocage mécanique de la haute-tension dudit générateur H.F. 4. Dispositif médical de radiothérapie, caractérisé en ce qu'il comporte un accélérateur suivant l'une des revendications t, 2 et 3.