Brevet FR2737834A1 — publié le 19970214

L'invention concerne de manière générale des accélérateurs linéaires de particules, et elle concerne plus particulièrement un accélérateur de 0,8 à 32 pJ, de faible encombrement, pour des protons destinés à être utilisés en hadronthérapie, basé sur une structure pour hyperfréquences dans la bande S, appelée structure SCDTL ("Side Coupled Drift Tube Linac"), c'est-à-dire accélérateur linéaire à tube de glissement à couplage latéral) et permettant l'application d'un système de focalisation quadripolaire. Comme cela est bien connu, on a déjà conçu des accélérateurs linéaires dans lesquels une particule est mise en circulation à l'intérieur d'une cavité résonnante, afin de recevoir de l'énergie pour être accélérée jusqu'à des niveaux utilisables, par exemple pour le traitement de tumeurs situées en profondeur, en particulier lorsqu'elles sont placées à proximité immédiate d'organe vitaux. Un accélérateur linéaire, connu également sous l'abréviation Linac, ne permet pas de faire circuler une particule, mais il entraîne la particule afin qu'elle passe par une série de cavités résonnantes disposées linéairement, fonctionnant en éléments accélérateurs. C'est la raison pour laquelle ils sont appelés accélérateurs linéaires. En plus de la fonction d'accélération du faisceau de particules, une fonction de confinement est également demandée dans un tel appareil pour prévenir la tendance des particules à exploser. Un accélérateur linéaire est donc constitué de deux éléments essentiels. Les cavités résonnantes, ayant pour fonction d'accélérer les particules, et le système de focalisation ayant pour fonction de contenir et de confiner le faisceau de particules. On a conçu jusqu'à présent des accélérateurs linéaires principalement pour l'accélération d'électrons, en utilisant des fréquences élevées avec des longueurs d'ondes correspondantes qui sont petites, en sorte qu'il était possible de réaliser des accélérateurs appropriés. Dans la mesure où les protons sont concernés, on n'a pas réalisé d'accélérateurs linéaires destinés à être utilisés dans la même bande de fréquences, mais uniquement pour des fréquences plus basses. Un objet général de l'invention peut concevoir un accélérateur linéaire pour protons et particules analogues de masse élevée, conçu pour fonctionner à des fréquences comprises au moins dans la même bande de fréquences que celle des accélérateurs linéaires connus pour électrons. Avant d'illustrer les particularités caractéristiques de l'approche selon l'invention, il semble utile de donner certaines explications générales concernant les accélérateurs linéaires auxquels on s'intéresse. Comme cela est bien connu des spécialistes de la technique, les accélérateurs linéaires reposent sur l'utilisation de cavités résonnantes, fonctionnant en tant qu'accélérateurs de particules, avec lesquelles des tubes dits de glissement (DT) coopèrent. Les tubes de glissement sont conçus pour et ont pour fonction de protéger les faisceaux de particules du champ électrique dans toutes les positions dans lesquelles ils risquent d'agir en tant que champs de ralentissement. En fait, étant donné que le champ électrique dans des cavités résonnantes possède un signe alternatif ou une polarité alternative, l'agencement est tel que les particules sont soumises au champ électrique d'accélération et sont protégées du champ électrique de polarité opposée, qui agiraient en tant que champ de ralentissement, en étant entraînées de façon à passer dans les tubes de glissement. Dans les accélérateurs linéaires à basse fréquence existant actuellement, les tubes de glissement impliqués ont des dimensions notablement importantes, en sorte qu'il est possible de disposer les seconds éléments de la structure de l'accélérateur linéaire, à savoir les éléments de focalisation, dans leur espace intérieur. Lorsque l'on souhaite construire un accélérateur linéaire à usage médical et que l'on souhaite augmenter la fréquence de fonctionnement afin d'atteindre les chiffres paramétriques semblant être les plus appropriés et les plus commodes, on obtient un appareil moins volumineux mais, simultanément, la dimension des tubes de glissement diminue aussi. C'est la raison pour laquelle il devient impossible d'y mettre en place les éléments de focalisation, lesquels éléments sont nécessaires, comme indiqué précédemment, pour contenir et confiner le faisceau de particules. Un objet spécifique de l'invention est de concevoir une structure d'un accélérateur linéaire de protons conçue pour fonctionner à une fréquence élevée, dans laquelle il est également possible de mettre en place les éléments de focalisation. Un objet spécifique de l'invention porte donc sur un accélérateur linéaire de 0,8 à 32 pJ de faible encombrement, pour hadronthérapie, comportant - un injecteur de type classique basé sur un quadrupôle radiofréquence travaillant à une fréquence de 750 MHz, - une section conçue pour accélérer les protons jusqu'à environ 11,2 pJ, constituée d'une structure SCDTL (accélérateur linéaire à tube à glissement à couplage latéral), - un système magnétique relais à déflexion possible de 1800 qui permet au faisceau de protons d'être réfléchi pour rendre la réalisation encore moins volumineuse, - une section comportant une structure SCL (accélérateur linéaire à couplage latéral) alimentée par un klystron, conçue pour accélérer le faisceau de protons jusqu'à environ 32 pJ. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante en référence aux dessins annexés à titre nullement limitatif et sur lesquels la figure 1 est une vue d'ensemble de la cons truction d'un accélérateur linéaire de 32 pJ ; la figure 2(a) est une vue en perspective avec arrachement partiel montrant certaines sections d'un accélérateur linéaire à tube à glissement à couplage latéral (SCDTL), dans la forme de réalisation à mode de couplage de type s/2 ; et la figure 2(b) est une vue en perspective avec arrachement partiel montrant certaines sections d'un accélérateur linéaire à tubes de glissement à couplage latéral (SCDTL), dans la forme de réalisation à mode de couplage de type Ir. Lorsque l'on tient compte du fait que, à des fins d'hadronthérapie, l'exigence liée à l'utilisation d'accélérateurs linéaires visant à accélérer les protons jusqu'à des niveaux de 32 pJ a trait en particulier au faible encombrement, pour permettre leur utilisation aussi dans des constructions qui ne sont pas conçues de façon spéciale à cet effet, par exemple dans des hôpitaux, l'idée fondamentale de l'invention est d'utiliser une fréquence élevée (3 GHz) dans la plage RF d'accélération, non seulement pour élever la tension de toute demi-onde d'accélération, mais également, à des tensions égales, pour diminuer la longueur des sections individuelles d'accélération, tout en maintenant dans le même temps le faible encombrement de l'ensemble de l'appareil. Du point de vue du problème consistant à mettre en place le système précité de focalisation magnétique, le concept de base de l'invention est de réaliser une construction modulaire d'encombrement extrêmement réduit comportant des cavités résonnantes en couplage croisé et des aimants quadripolaires de focalisation, dans laquelle la zone d'accélération et la zone de focalisation sont maintenues séparément. En fait, l'approche conforme à l'invention consiste à diviser la construction de l'accélérateur linéaire en plusieurs sections d'accélération, ou en plusieurs cavités résonnantes, séparées et placées en couplage croisé au moyen de cavités résonnantes secondaires ou auxiliaires, et à mettre en place les éléments de focalisation entre ces sections d'accélération. Comme le montre la figure 1 et comme cela sera expliqué ci-dessous, l'appareil conforme à l'invention comporte deux sections : une première section conçue pour fournir une accélération d'environ 0,8 à 11,2 pJ, basée sur un accélérateur linéaire à tube de glissement à couplage latéral, convenant au traitement des yeux, et une seconde section conçue pour fournir une accélération d'environ 11,2 à 32 pJ, basée sur un accélérateur linéaire à couplage latéral, convenant au traitement des tumeurs profondes. On peut voir en particulier que l'accélérateur linéaire de protons auquel on s'intéresse comporte - un élément servant d'injecteur, par exemple un injecteur de 0,8 pJ de type classique, basé sur un élément à quadrupôle radiofréquence travaillant à une fréquence de 750 MHz - une section destinée à accélérer les protons jusqu'à environ 11,2 pJ, consistant en une structure de type SCDTL, comportant plusieurs cavités résonnantes, dans laquelle le faisceau de protons est convenablement focalisé au moyen d'un jeu de quadrupâles à aimants permanents ordonnés les uns à la suite des autres, centrés sur l'axe et disposés dans l'espace présent entre les cavités d'accélération : cette section de l'appareil constitue l'objet spécifique de l'invention et sera expliquée plus en détail cidessous - un système magnétique de relais à déflexion possible de 180 , qui permet au faisceau d'être réfléchi pour rendre l'ensemble de la construction moins encombrant - une section comprenant une structure SCL (accélérateur linéaire à couplage latéral), basée sur une alimentation par klystron, formée d'environ 10 modules qui sont couplés les uns aux autres au moyen d'un module auxi liaire de couplage par pont, agencé dans une position décalée par rapport à l'axe. Ces modules sont réalisés sous la forme de cavités résonnantes. Un quadrupôle fonctionnant en tant qu'élément de focalisation est disposé à l'intérieur de l'espace présent entre des modules adjacents. La section essentielle et la plus importante de l'invention est celle désignée ci-dessus SCDTL, au moyen de laquelle les protons sont accélérés de 0,8 à 11,2 pJ, et leur particularité de fonctionnement immédiatement apparente consiste dans l'utilisation d'une fréquence élevée de fonctionnement, qui rend nécessaire l'adoption d'une approche particulière pour la mise en place des éléments de focalisation. Les accélérateurs linéaires à tube de glissement (DTL) sont formés par une simple cavité résonnante fonctionnant dans un mode TM 010 et ayant une longueur correspondant à un multiple de la longueur d'onde impliquée. Un proton coupant son axe rencontre des sections à champs électriques alternativement accélérateurs et ralentisseurs. Etant destinées à permettre à un proton d'être soumis à des effets d'accélérations successifs, comme mentionné précédemment, les sections à champs ralentisseurs sont blindées par l'introduction de tubes métalliques axiaux 13, supportés au moyen de rayons intérieurs 14 de la cavité résonnante, afin que seules les sections d'accélération du champ électrique restent non blindées et actives. Dans le cas où la fréquence de fonctionnement de l'accélérateur DTL est suffisamment basse (en général, environ 200 MHz), les dimensions des tubes de glissement sont suffisamment grandes pour que les éléments magnétiques de focalisation soient disposés à l'intérieur des tubes de glissement eux-mêmes. Dans la construction conforme à l'invention, par contre, l'utilisation d'une fréquence élevée (3 GHz) ne permet pas d'adopter la même approche technique et il a été suggéré d'adopter une structure composite, comme montré sur les figures 2a et 2b, comportant des cavités 10a, 10b, 10c de type DTL placées en couplage latéral successivement les unes avec les autres au moyen de cavités de couplage auxiliaires lla, llb, llc. Le couplage peut être de deux types, comme montré sur les figures 2a et 2b, respectivement. Dans un couplage du type selon la figure 2(a), les champs électriques entre deux cavités d'accélération successives ont des signes opposés ou des polarités opposées, tandis que dans le couplage du type selon la figure 2(b), ces champs ont le même signe. Ceci est pris en compte pour déterminer la longueur de l'espace libre entre les deux cavités concernées. Comme déjà expliqué ci-dessus, on peut donner à cet espace une longueur suffisante pour y loger l'élément à quadrupôle 12 à aimant permanent à des fins de focalisation. Les dimensions typiques, en fait, telles qu'indiquées uniquement à titre illustratif et sans aucun but limitatif, sont de 4 cm pour le diamètre extérieur, de 6 mm pour la section d'étranglement et une longueur de 3 cm, avec un gradient de 200 T/m. Dans les deux types de couplage, la cavité de couplage n'est pas excitée et un mode de couplage de type s/2 et un mode de couplage de type 7r peuvent être observés respectivement sur les figures 2 (a) et 2(b). Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'accélérateur décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Accélérateur linéaire de protons de 0,8 à 32 pJ, de faible encombrement pour hadronthérapie, caractérisé en ce qu'il comporte - un injecteur de type classique basé sur un quadrupôle radiofréquence (RFQ) fonctionnant à une fréquence de 750 MHz, - une section conçue pour accélérer les protons jusqu'à environ 11,2 pJ, constituée d'une structure d'accélérateur linéaire à tube de glissement à couplage latéral (SCDTL), - un système magnétique de relais à déflexion possible de 1800, qui permet au faisceau de protons d'être réfléchi pour rendre la construction moins volumineuse, - une section comprenant une structure d'accélérateur linéaire à couplage latéral (SCL) alimentée par un klystron, conçue pour accélérer le faisceau de protons jusqu'à environ 32 pJ. 2. Accélérateur linéaire de protons selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite section constituée d'une structure SCDTL fonctionne à une fréquence de 3 GHz et comporte plusieurs cavités résonnantes (10a, lOb, 10c) de type à accélérateur linéaire à tube de glissement (DTL), placées en couplage latéral les unes avec les autres au moyen de cavités résonnantes auxiliaires (lia, llb, llc) et séparées les unes des autres par des espaces dans lesquels des quadrupâles (12) de focalisation à aimants permanents sont disposés axialement. 3. Accélérateur linéaire de protons selon la revendication 2, caractérisé en ce que le faisceau de protons est accéléré, dans lesdites cavités résonnantes, par un champ électrique avec une polarité d'accélération, et est protégé par blindage de tout champ électrique ayant une polarité de ralentissement. 4. Accélérateur linéaire de protons selon la revendication 3, caractérisé en ce que le faisceau de protons est protégé par blindage du champ électrique à polarité de ralentissement, au moyen de tubes métalliques axiaux (tubes de glissement) (13) supportés par des rayons intérieurs (14) de la cavité résonnante.