Brevet FR2500949A1 — publié le 19820903

La présente invention due aux travaux de Monsieur Robert BARJON de l'Université Scientifique et Médicale de Grenoble et de Madame Geneviève BREYAAT du Commissariat à l'Energie Atomique, concerne un générateur de neutrons de grande énergie. Elle s'applique notamment à la neutronothérapie. On sait que les générateurs de neutrons actuel- lement utilisés en neutronothérapie comprennent: - soit un accélérateur de particules (cyclo- tron, linéaire à protons ou tandem), bombardant avec ces particules (protons ou noyaux de deutérium appelés "deutérons"), d'énergie comprise entre 15 et 60 MeV, une cible de béryllium, - soit un accélérateur de particules, bombar- dant avec des deutérons de 150 à 500 keV une cible tritiée, ou bombardant, avec un mélange de deutérons et de noyaux de tritium (appelés "tritons") de 150 à 500 keV, une cible de métal hydrurable ("autocible", cette cible se régénérant),de façon à produire des neutrons d'énergie égale à 14 MeV, qui sont déjà très efficaces en neutronothéraRie. Or, de tels générateurs, notamment à cause de l'épaisseur et de la nature des cibles qu'ils comportent, ne permettent pas d'obtenir des faisceaux de neutrons de grande énergie aussi intenses et aussi peu contaminés par des neutrons d'énergie inférieure à 14 MeV qu'il serait souhaitable. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients. Elle a pour objet un générateur de neutrons, du genre de ceux qui comprennent: - une source de particules chargées de grande énergie, - une cible faite d'un matériau apte à émettre des neutrons sous l'impact de ces particules chargées, et - des moyens de refroidissement de cette cible, caractérisé en ce que le matériau dont est faite la cible est du deutérure de lithium dont l'épaisseur est prévue pour produire principalement, en avant, des neutrons d'énergie au moins égale à 14 MeV. Par "neutrons produits en avant", on entend des neutrons émis par la cible dans des directions voisines de celle des particules chargées incidentes. La source de-ces particules chargées est par ailleurs prévue pour émettre ces particules avec une énergie déterminée en fonction de celle des neutrons à produire en avant. L'importance de cette dernière justifie l'expression "particules chargées de grande énergie". (Des valeurs de l'énergie à communiquer à ces particules chargées seront données à titre d'exemple par la suite). Quant au choix de la cible, les particules chargées incidentes étant par exemple des protons, plus les atomes constituant cette cible sont légers, plus la quantité de neutrons émis par interaction directe - interaction prédominante pour les énergies considérées - est importante et plus la quantité de neutrons d'énergie inférieure, résultants de chocs secondaires, est faible. Parmi les atomes dits légers, (c'est-à-dire de numéros atomiques inférieurs à celui du carbone), il est bien entendu préférable de choisir ceux qui contiennent le plus de neutrons pour constituer la cible. En éliminant de la liste des matériaux que l'on pourrait utiliser le deutérium et des composés normalement gazeux et très légers comme CD4, pour des questions de coût d'installation et d'exploitation (nécessité de liquéfaction pour avoir une densité suffisante), le tritium, à cause de son prix, de sa radioactivité et de difficultés de mise en oeuvre, et l'hélium, pour la valeur élevée de l'énergie absorbée par une réaction (p, n) avec cet élément, on est conduit à réaliser, pour le générateur de neutrons objet de l'invention, une cible en deutérure de lithium LiD, (selon une caractéristique préférée de l'invention, en deutérure de lithium 7 ou en deuté- rure de lithium naturel) car, pour un même nombre de neutrons-cibles et de protons incidents et pour une même perte d'énergie de ces derniers, la réaction (p, n) a une probabilité plus de deux fois plus grande avec la molécule 7LiD(mais seulement environ une fois et demie plus grande avec l'atome de lithium 7 qu'avec une molécule de béryllium, d'eau lourde ou de paraffine lourde. On obtient donc avec le générateur selon l'invention, muni d'une cible en LiD, et de préférence en 7LiD, une quantité de neutrons supérieure à celle obtenue avec les géné- rateurs de l'art antérieur qui utilisaient des cibles en béryllium. Lesdites particules chargées peuvent être par exemple des deutérons, mais ce sont de préférence des protons. En effet, pour produire, en avant, des neutrons d'énergie E au moins égale à 14 MeV, on peut utiliser, l'interaction directe étant favorisée à de telles énergies, un courant d'intensité I de protons d'énergie E ou un courant d'intensité I/2 de deutérons d'énergie 2E, pour une même puissance du faisceau incident de protons ou de deutérons. Or, le coût d'un cyclotron, meilleure source de protons ou de deutérons aux énergies envisagées, dépend beaucoup plus de l'énergie à communiquer à ces particules (du fait que cette énergie est une fonction croissante du champ magnétique et des dimensions du cyclotron) que de l'intensité du courant à produire desdites particules. Selon une caractéristique préféréee de l'invention, ces dernières sont donc des protons, de façon à réduire le coût du générateur objet de l'invention. Le matériau (LiD) constituant la cible utilisée dans l'invention a une épaisseur limitée par rapport à celle des cibles de l'art antérieur et déterminéepour ne produire, en avant, que très peu de neutrons d'énergie inférieure à 14 MeV sous l'impact des particules chargées issues de la source. Pour ce faire, il suffit de donner audit matériau une épaisseur telle que les particules chargées incidentes n'ayant pas réagi avec lui aient encore à la sortie de la cible une énergie au moins égale à 14 MeV lorsque ces particules chargées sont des protons et au moins égale à 28 MeV lorsqu'il s'agit de deutérons. Par exemple, avec des protons incidents de 50 MeV, l'épaisseur de LiD est calculée pour que ceux de ces protons qui n'ont pas été arrêtés dans la cible aient encore au moins 14 MeV à la sortie de cette cible qui est alors dite "semi- épaisse". En réduisant ainsi l'épaisseur de la cible par rapport à celles de l'art antérieur, on diminue également d'environ 30 % son échauffement. Il peut être importantid'arrêter les particules chargées incidentes, partiellement ralenties, issues de la cible. C'est notamment le cas en neutronothérapie o l'on ne veut pas que ces particules puissent atteindre un maladeen cours de traitement. Ainsi, dans les générateurs connus, le refroidissement de la cible se fait-il généralement par circulation d'eau, à l'arrière de cette cible, ce qui permet d'absorber une partie des particules incidentes telles que des protons n'ayant pas réagi avec la cible et ralenties par elle, mais présente en revanche l'inconvénient de dégrader partiellement le spectre en énergie des neutrons créés par la cible. Pour remédier a cet inconvénient, les moyens de refroidissement de la cible du générateur objet de l'invention consistent de préférence en des moyens de circulation d'un gaz ne réagissant pas chimiquement avec ledit matériau dont est faite la cible. Ce gaz peut être de l'hélium dont la section efficace de diffusion est particulièrement faible pour les neutrons de grande énergie. Selon une caractéristique particulière, le générateur de neutrons objet de l'invention comprend en outre des moyens d'élimination de particules parasites sortant en avant de la cible, ces particules parasites étant entre autres les particules chargées n'ayant pas réagi avec la cible et les neutrons issus de cette dernière et d'énergie inférieure a 14 MeV. Selon une autre caractéristique préférée, les moyens d'élimination de particules parasites comprennent des moyens de déviation des particules chargées non absorbées par la cible pour écarter celles-ci des neutrons produits en avant, de façon que ces derniers soient principalement des neutrons d'énergie au moins égale a 14 MeV. Selon une autre caractéristique particulière, le générateur de neutrons objet de l'invention com- prend en outre un collimateur destiné à définir un champ d'irradiation. Lesdits moyens de déviation peuvent être prévus pour envoyer lesdites particules chargées non absorbées par la cible vers une paroi du colli- mateur. Un bloc d'arrêt, muni d'un système réfrigérant et de préférence essentiellement constitué de carbone, peut alors être placé dans ladite paroi du collima- teur, pour arrêter lesdites particules chargées non absorbées par la cible. Selon une autre caractéristique particulière, lesdits moyens de déviation sont aptes à engendrer un champ magnétique pour provoquer ladite déviation. Ils peuvent consister en un aimant permanent. Ce dernier peut être au moins en partie intégré aux parois du collimateur, celles-ci étant aptes à constituer un circuit magnétique. Enfin, la cible a de préférence une épaisseur ajustée en fonction de l'énergie moyenne des parti- cules chargées que la source est apte à &éettre et de l'énergie des neutrons à produire et comporte environ N pastilles, chacune d'elles ayant une épaisseur différente, calculée pour que les particules chargées issues de la source y perdent la fraction 1/2 N de leur énergie, ces pastilles étant espacées et rangées par épaisseurs décroissantes à partir de la source de particules chargées. D'autres caractéristiques et avantages du générateur objet de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre indicatif et non limi- tatif en référence au dessin annexé. Sur ce dessin, on a représenté schémati- quement un mode de réalisation particulier du géné- rateur de neutrons de grande énergie selon l'in- vention, appliqué à la neutronothérapie. Il comporte essentiellement une source 1 de protons de grande énergie, envoyant ceux-ci sur une cible 2 engendrant alors des neutrons N également de grande énergie. Un aimant permanent 3, placé à la suite de la cible 2, dévie les protons P ayant traversé la cible 2 sans réagir avec elle pour créer des neutrons. Un colli- mateur 4 permet de définir un champ d'irradiation pour un malade 5 placé sur une table 6. Pour pouvoir irradier le malade 5 à l'endroit voulu, le générateur objet de l'invention et la table 6 sont déplaçables à l'aide de moyens non représentés sur le dessin, connus dans l'état de la technique et ne faisant pas partie de l'invention. La source 1 est un accélérateur de parti- cules, tel qu'un cyclotron, qui fournit des protons dont l'énergie est par exemple voisine de 50 MeV. (Dans le cas d'un cyclotron, les protons peuvent êtres envoyés sur la cible 2 à l'aide de moyens de déflexion magnétiques non représentés sur le dessin et connus dans l'état de la technique). La cible 2 est une cible "semi-épaisse" le matériau dont elle est faite est d'épaisseur telle que les protons incidents de 50 MeV issus de la source 1 et non arrêtés par la cible aient par exemple perdu dans cette dernière au moins la moitié de leur énergie; ainsi, juste avant de sortir de la cible 2, les protons qui n'avaient pas encore été arrêtés par elle peuvent-ils l'être et produire alors par choc direct des neutrons d'énergie voisine de 25 MeV. Tous les neutrons créés, en avant, dans la cible ont donc au moins une énergie voisine de 25 MeV, énergie bien supé- rieure à 14 MeV. On élimine ainsi du faisceau de neutrons rapides N atteignant le malade 5 une partie des particules parasites qu'il contenait généralement dans les générateurs de l'art antérieur, partie constituée de neutrons de faible énergie (inférieure à 14 MeV). Le matériau constituant la cible 2 est du deutérure de lithium 7 ou naturel. Outre les avantages mentionnés plus haut, LiD présente l'inté- rêt d'avoir un point de fusion élevé 6000C). Afin d'être convenablement refroidie d'une façon qui sera expliquée par la suite, la cible 2 comporte plusieurs pastilles 7 en LiD, séparées les unes des autres. Il y a par exemple une dizaine de pastilles, chacune d'elles ayant une épaisseur différente, calculée pour que-les protons issus de la source 1 y perdent le vingtième de leur énergie. Cespastilles 7 sont rangées par épaisseurs décroissantes à partir de la source 1 de protons. Par ailleurs, la somme des épaisseurs des pastilles 7 -est ajustée en fonction de l'énergie moyenne (50 MeV) des protons que la source 1 peut émettre et de l'énergie des neutrons de grande énergie à produire. Par interaction avec la cible 2, les protons issus de la source 1 peuvent donc produire des neutrons dont l'énergie est au moins de l'ordre de 25 MeV car les protons perdent au plus une énergie voisine de 10 X 1/20 X 50 = 25 MeV dans la cible 2. Le deutérure de lithium se présentant normalement sous forme cristalline en grains dont la grosseur varie suivant le mode de fabrication, on le concasse et on le pulvérise, puis on en fait des lingots dans une presse à une température infé- rieure à 600'C pour que LiD ne se décompose pas, lingots que l'on peut découper pour obtenir lesdites pastilles. Des moyens 8 de refroidissement de la cible 2 permettent de faire circuler, entre les pastilles 7,un gaz ne réagissant pas chimiquement avec LiD. Ce gaz peut être de l'azote ou, de préfé- rence, de l'hélium (néanmoins plus coûteux que l'azote) qui ne perturbe que très peu l'énergie des neutrons produits dans la cible 2 (et qui est par ailleurs lui-même capable d'en produire). Le gaz est recyclé à l'aide d'un compresseur 9, après refroidissement éventuel dans un échangeur de chaleur 10. Les moyens 8 de refroidissement comportent également une cuve de stockage 9a isolable par une vanne V1. La cible 2, contenue dans un récipient étanche 11 isolable du reste desdits moyens 8 de refroidissement par deux vannes V2 et V31 peut se démonter et se changer facilement. De plus, des canalisations d'hélium sous pression (2,5 bars au maximum) sont d'un emploi plus facile avec un générateur mobile que des cana- lisations d'eau telles que celles employées dans les générateurs de neutrons de l'art antérieur. Par ailleurs, le fait de ne pas utiliser un refroidissement par circulation d'eau diminue beaucoup les besoins de protection; (avec des flux élevés de neutrons, la radioactivité induite dans l'eau est importante et la dissociation de l'eau en hydrogène et oxygène par radiolyse l'est également). Les protons P incidents qui, n'ayant pas participé à la réaction nucléaire 'neutronigène",c'est- à-dire productrice de neutrons, se sont ralentis dans la cible 2 sans s'y arrêter, ont, comme on l'a vu, une énergie bien supérieure à 14 MeV et donc un parcours d'au moins deux mètres dans l'air. Or, dans l'application neutronothérapique du générateur de neutrons objet de l'invention, la cible 2 est à une vingtaine de centimètres du collimateur 4 qui présente une épaisseur d'au plus 120 centimètres. Ainsi, le malade 5 se trouve-t-il au maximum à 140 cen- timètres de la cible 2 et serait donc atteint par les protons P ralentis mais non arrêtés par la cible 2 si ces protons P n'étaient pas empêchés d'atteindre le malade 5. Pour arrêter ces protons P, on pourrait uti- liser une lame épaisse d'un matériau le plus lourd possible comme le tungstène (pour limiter le plus possible le nombre de neutrons de faible énergie créés par interaction des protons P avec la lame) mais cette lame dégraderait le spectre des neutrons N utiles (de grande énergie) lorsqu'ils la traverseraient. Pour éviter cet inconvénient, il est préférable d'écarter les protons P non absorbés par la cible 2, mais ralentis par celle-ci, du faisceau des neutrons N de grande énergie, à l'aide d'un champ magnétique et de les arrêter dans un piégetcomme on le verra plus loin, ce qui supprime également les neutrons secon- daires (de faible énergie) et les photons y que ces protons P sont susceptibles d'engendrer.(Bien entendu, on pourrait utiliser des moyens de déflexion élec- trostatiques pour ces protons P). Ledit champ magnétique est créé par l'aimant permanent 3. Un électroaimant serait moins onéreux que cet aimant permanent, mais ce dernier est préférable du fait de sa grande fiabilité (c'est un élément passif et pratiquement inusable) et de la facilité de sa mise en oeuvre. Le collimateur 4, par exemple en alliage fer-cadmium, comporte quatre parois 4a, 4b, 4c et 4d prévues pour délimiter un trou par exemple de section carrée et allant en s'évasant de son extrémité en regard de la cible 2 à son extrémité en regard du malade 5 pour définir un champ d'irradiation de ce dernier par les neutrons N de grande énergie. Pour une meilleure compréhension du dessin, ce collimateur 4 est représenté en coupe partielle sur ce dessin. L'aimant permanent 3 comporte deux parties actives 3a et 3b se faisant face, pour former les pôles Nord et Sud de l'aimant. Ces parties 3a et 3b sont placées au voisinage de la cible 2 tout en étant intégrées aux parois du collimateur 4. Cette dispo- sition de l'aimant 3 s'explique par la double nécessité de placer cet aimant près de la cible 2 pour éviter qu'il ait un entrefer trop important, étant donné la grande divergence du faisceau des protons P sortant de la cible 2 (divergence due aux diffusions mul- tiples des protons sur les noyaux de cette cible) et d'avoir une induction magnétique qui exerce son action sur une longueur suffisamment importante afin d'éliminer le plus rapidement possible les protons P du faisceau des neutrons N thérapeutiques. Les parois du collimateur 4 permettent de fermer le circuit magnétique de l'aimant permanent 3 en remplaçant, au voisinage de ce dernier, l'alliage de fer-cadmimum constituant lesdites parois par du fer. Les protons P non absorbés par la cible 2 sont donc déviés vers l'une 4a de ces parois. Un bloc d'arrêt 12, disposé dans une cavité 13 pratiquée dans la paroi 4a, est prévu pour arrêter ces protons P. Ce bloc d'arrêt 12, du type cage de Faraday, et essentiellement constitué de carbone afin de minimiser la production de photons y, est muni d'un système réfrigérant 14 destiné à éliminer la puissance dégagée lors de l'impact des protons P sur ce bloc 12, puis- sance qui s'élève à environ 750 W pour une intensité de 30pA de protons P de 25 MeV. Selon l'art antérieur, certains générateurs connus de neutrons de grande énergie comprennent des filtres égalisateurs dont le rôle est de compenser une anisotropie de la fluence neutronique à la sortie du collimateur, l'irradiation du malade devant être uniforme. Cette anisotropie est due aux cibles épaisses employées qui diffusent les neutrons en changeant leur énergie et leur direction, la fluence neutronique étant alors plus importante au bord du faisceau de neutrons produits qu'en son centre. Ces filtres égalisateurs absorbent également les neutrons de faible énergie mais réduisent d'une façon notable l'énergie moyenne de l'ensemble des neutrons créés. Ils ont une épaisseur importante et sont faits de matériaux fortement hydrogénés tels que le polyé- thylène ou la paraffine. L'aimant permanent 3, en déviant les protons P non absorbés, générateurs de neutrons de faible énergie, permet de diminuer le nombre et l'épaisseur de ces filtres égalisateurs. Par ailleurs, dans le générateur selon l'invention, l'emploi de la cible 2 "semi-épaisse" permet de réduire consi- dérablement non seulement la quantité de neutrons de faible énergie présents dans le faisceau de neutrons N thérapeutiques comme on l'a vu précédemment, mais encore l'anisotropie de la fluence neutronique, du fait de l'épaisseur réduite de la cible 2 par rapport à l'art antérieur. Cela permet donc de supprimer en grande partie les filtres égalisateurs. Eventuellement, on peut placer un tel filtre 15 à la sortie du collimateur 4, du côté du malade 5. Le générateur de neutrons de grande énergie décrit précédemment comportant une cible 2 "semi-épaisse" en deutérure de lithimm 7 ou naturel, un aimant perma- nent 3 de déviation des protons P non absorbés par la cible 2, et éventuellement un filtre égalisateur 15 très réduit, est capable de produire un flux de neutrons N de grande énergie d'une part élevé et d'autre part très faiblement contaminé par des parti- cules parasites (protons, neutrons de faible énergie, photons y). Cela modifie le rendement d'irradiation en profondeur et conditionne la dose transmise à la zone irradiée du malade dans un sens favorable aux exigences médicales. On peut ainsi réduire d'un facteur de l'ordre de trois la durée d'irradiation par rapport aux générateurs de l'art antérieur, pour un même courant de protons sur la cible. Dans ces conditions, le temps de mise en place d'un malade devant le faisceau de neutrons est bien plus important que le temps d'irradiation de ce malade. Il est alors possible et économiquement intéressant de disposer d'une salle d'irradiation supplémentaire par rapport aux cas actuellement ren- contrés dans lesquels on ne prévoit qu'une salle d'irradiation (au mieux deux) pour un accélérateur de particules. Dans ce cas, et pour abaisser le coût du générateur, les mêmes moyens 8 de refroidissement peuvent être utilisés pour chacune des cibles 2 correspondant aux différentes salles d'irradiation. Le générateur de neutrons de grande énergie objet de l'invention pourrait être également utilisé pour la production de grands flux de neutrons rapides (environ 1013 neutrons/cm2/z), d'environ 14 MeV, destinés à l'étude des matériaux de structure des réacteurs de fusion nucléaire (étude sur éprouvettes des dommages causés par le-ralentissement des neu- trons créés dans les réactions deutéron-triton et deutéron-deutéron dans ces réacteurs). REVENDICATIONS 1. Générateur de neutronsdu genre de ceux qui comprennent: - une source (1) de particules chargées de grande énergie, - - une cible (2) faite d'un matériau apte à émettre des neutrons sous l'impact de ces particules chargées, et - des moyens (8) de refroidissement de cette cible (2), caractérisé en ce que le matériau dont est faite la cible (2) est du deutérure de lithium dont l'épaisseur est prévue pour produire principalement, en avant, des neutrons (N) d'énergie au moins égale à 14 MeV. 2. Générateur de neutrons selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que les particules chargées sont des protons. 3. Générateur de neutrons selon l'une quel- conque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit matériau est du deutérure de lithium 7 ou du deutérure de lithium naturel. 4. Générateur de neutrons selon l'une quel- conque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens (8) de refroidissement de la cible (2) consistent en des moyens de circulation d'un gaz ne réagissant pas chimiquement avec le deutérure de lithium. 5. Générateur de neutrons selon la revendi- cation 4, caractérisé en ce que ledit gaz est de l'hélium. 6. Générateur de neutrons selon l'une quel- conque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (3, 4) d'élimination de particules parasites sortant en avant de la cible (2). 7. Générateur de neutrons selon la revendi- cation 6, caractérisé en ce que les moyens (3, 4) d'élimination de particules parasites comprennent des moyens (3) de déviation des particules chargées (P) non absorbées par la cible (2) pour écarter celles-ci des neutrons produits en avant, de façon que ces derniers soient principalement des neutrons (N) d'énergie au moins égale à 14 MeV. 8. Générateur de neutrons selon l'une quel- conque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un collimateur (4) destiné à définir un champ d'irradiation. 9. Générateur de neutrons selon la revendi- cation 8, caractérisé en ce que lesdits moyens (3) de déviation sont prévus pour envoyer lesdites parti- cules chargées (P) non absorbées par la cible (2) vers une paroi (4a) du collimateur (4). 10. Générateur de neutrons selon la revendi- cation 9, caractérisé en ce qu'un bloc d'arrêt (12) muni d'un système réfrigérant (14) est placé dans ladite paroi (4a) du collimateur (4), pour arrêter ledites particules chargées (P) non absorbées par la cible (2). 11. Générateur de neutrons selon la revendi- cation 10, caractérisé en ce que ledit bloc d'arrêt (12) est essentiellement constitué de carbone. 12. Générateur de neutrons selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que lesdits moyens (3) de déviation sont aptes à engendrer un champ magnétique pour provoquer ladite déviation. 13. Générateur de neutrons selon la reven- dication 12, caractérisé en ce que lesdits moyens (3) de déviation consistent en un aimant permanent. 14. Générateur de neutrons selon la reven- dication 13, caractérisé en ce que ledit aimant