Brevet FR2766049A1 — publié le 19990115

La présente invention concerne un cyclotron dans lequel le faisceau de protons à accélérer est créé par une source à résonance cyclotronique (ECR). La présente invention concerne plus particulièrement un cyclotron dans lequel la source à résonance cyclotronique (ECR), placée au centre du cyclotron, utilise directement le champ magnétique du cyclotron luimême. La présente invention concerne également une application du cyclotron à la proton thérapie. Les cyclotrons sont des accélérateurs de particules ionisées qui sont parmi les plus compacts et les plus efficaces des accélérateurs dans des domaines d'énergie pouvant aller jusqu'à 600 MeV pour des protons. Les particules ionisées décrivent en général une spirale de rayon croissant au cours de l'accélération. Les cyclotrons comprennent généralement cinq composants majeurs : la source, qui génère les particules ionisées, le dispositif de confinement sous vide des particules ionisées, I'électroaimant qui produit le champ magnétique assurant le guidage des particules ionisées, le système accélérateur haute-fréquence destiné à accélérer les particules ionisées, le dispositif d'extraction des particules ionisées permettant de les dévier de leur trajectoire d'accélération puis de les évacuer hors du cyclotron sous forme d'un faisceau à haute énergie cinétique pour les utiliser par la suite. II existe des cyclotrons dont les pôles de l'électroaimant sont entourés par un ensemble de bobines circulaires qui génèrent le champ magnétique de l'électroaimant. Lorsque le champ magnétique est appliqué sur toute la trajectoire de la particule ionisée; le cyclotron est appelé cyclotron compact. Ces bobines peuvent être réalisées avec un matériau qui à très basse température présente des propriétés supraconductrices. Ce matériau est immergé dans de l'hélium liquide afin d'être suffisamment refroidi pour présenter des propriétés supraconductrices. Pour limiter les pertes thermiques et la consommation d'hélium, L'ensemble est placé dans une deuxième enceinte refroidie à l'azote liquide. Les inductions moyennes ainsi obtenues peuvent être élevées, par exemple entre 1,7 et 5 T. Le système cryogénique destiné à refroidir les bobines de ces cyclo trons comporte d'une part, les deux enceintes décrites précédemment, destinées à contenir l'azote et l'hélium liquides, qui sont entourées d'une enceinte sous vide, L'ensemble constituant un cryostat, et d'autre part, un système externe au cyclotron destiné à liquéfier ces deux gaz. Ce système cryogénique présente des risques d'utilisation, car la moindre impureté contenue dans l'hélium liquide risque de perturber les conditions requises pour que le matériau supraconducteur présente effectivement des propriétés supraconductrices. Dès que ces conditions sont perturbées, le supraconducteur perd ses propriétés supraconductrices et sous l'effet du courant électrique qui le traverse, s'échauffe et vaporise ainsi l'hélium environnant qui peut alors provoquer l'explosion du cryostat. En général, le cryostat du cyclotron est muni d'une soupape de sécurité surmontée d'un ballon gonflable permettant la récupération de l'hélium vaporisé. Néanmoins, I'installation de tels cyclotrons en milieu hospitalier est difficilement concevable non seulement pour des questions d'encombrement dû au système cryogénique et notamment au ballon (un ballon de 400 litres est nécessaire en général) mais aussi, et surtout pour des raisons évidentes de sécurité. Une technique de réalisation, décrite dans les documents des gième et 10sème Conférence Internationale sur les Cyclotrons et leurs Applications (IEEE 1981 pp. 203-208 et IEEE 1984 pp. 89-93), décrit un cyclotron dont les pôles de l'électroaimant sont spiralés et équipés de secteurs formant des entrefers tantôt étroits (collines), tantôt larges (vallées). La forme pratiquement elliptique des profils d'entrefers des collines et des vallées, permet de maintenir constante la composante verticale de l'induction sur l'ensemble de la zone radiale d'accélération, alors que celle-ci décroît avec le rayon dans le cas classique d'entrefers uniformes. Le champ magnétique moyen du cyclotron est croissant depuis le centre jusqu'au rayon où s'effectue l'extraction et assure l'isochronisme de la particule accélérée ; un tel cyclotron est appelé un cyclotron isochrone. L'utilisation de bobines supraconductrices d'induction élevée, jusqu'à 5 T, permet de réduire la taille du cyclotron de façon importante et de supprimer toute consommation d'énergie mais, elle rend difficile voir impossible, I'extraction des ions, malgré le nombre important de dispositifs annexes susceptibles d'être mis en oeuvre. Par ailleurs, I'importance de ces inductions ne permet pas toujours l'utilisation de supraconducteurs de la nouvelle génération à haute température (température de fonctionnement comprise entre 25K et 80K), car ces supraconducteurs ne supportent pas de telles inductions. Les cyclotrons actuels utilisent des sources placées verticalement à travers la culasse du cyclotron. Ces sources comportent un filament et divers équipements dont la durée de vie est limitée à quelques centaines d'heures. Afin de pouvoir remplacer la source quand celle-ci n'est plus en état de fonctionner, un dispositif de canne coulissante sous vide, dont la longueur dépend de l'épaisseur de la culasse est prévu sur le dessus du cyclotron. Un dispositif de sas permet également de sortir la source sans avoir à remettre l'ensemble du cyclotron à l'air. Mais ce dispositif nécessite ensuite une opération de pompage et d'établissement de la tension haute-fréquence dont la durée est plus ou moins longue. Les sources actuellement utilisées dans les cyclotrons compacts n'ayant pas une durée de vie suffisante ne peuvent que difficilement être utilisées dans le domaine médical. Les changements de source fréquents nécessitent en effet un personnel qualifié et représentent une perte de temps considérable. De plus chaque faisceau dépendant de la source qui l'a émis, il est très difficile de retrouver exactement le même faisceau avant et après le changement de source. Ceci présente en fait un très gros inconvénient dans le domaine médical où, le faisceau doit conserver des caractéristiques précises et constantes pendant les traitements. De récentes avancées technologiques ont permis d'envisager l'utilisation des cyclotrons dans le domaine médical, et notamment pour pratiquer la proton thérapie, permettant ainsi de soigner, par exemple, les tumeurs cancéreuses et les angiomes du cerveau. Le principe de la proton thérapie consiste à détruire les tumeurs en les bombardant avec des protons accélérés. L'énergie dissipée lors du choc entre les cellules de la tumeur et les protons accélérés est absorbée par la cellule qui est ainsi détruite. Néanmoins la taille et le poids des cyclotrons actuels (deux cent dix tonnes pour le seul cyclotron) nécessitent de construire des bâtiments spéciaux dont la structure est capable de les accueillir, ce qui augmente considérablement le prix du traitement. Les problèmes de maintenance dus en particulier au système cryogénique utilisant de l'hélium et de l'azote liquide et à la source nécessitant une main d'oeuvre qualifiée ainsi que la consommation énergétique importante sont des facteurs qui contribuent à augmenter encore le coût de la proton thérapie. La proton thérapie nécessite aussi de pouvoir rapidement arrêter le faisceau de protons, soit pour changer l'énergie ou la position de celui-ci, soit pour prendre des clichés radiographiques, soit pour des raisons de sécurité. La présente invention a donc pour but de résoudre les problèmes techniques de l'art antérieur au moyen d'un cyclotron de poids et de dimensions réduites, dont la consommation énergétique est minimale et qui présente un système d'extraction simplifié. Ce but est atteint, selon l'invention, au moyen d'un cyclotron compact comportant une source d'ions, un dispositif de confinement sous vide; un électroaimant, un système accélérateur haute-fréquence et un système d'extraction, caractérisé en ce que la dite source d'ions est une source à résonance cyclotronique (ECR), placée au centre du dispositif de confinement. Les sources ECR ne comportent ni filament ni cathode; L'énergie nécessaire à l'ionisation des gaz ou des solides à accélérer est créée par l'association d'un champ magnétique de confinement et d'un champ électromagnétique haute-fréquence. Les sources ECR ayant une durée de vie illimitée, elles ne requièrent aucune maintenance et sont placées de façon fixe à l'intérieur du cyclotron puis scellées sous vide. Lors des opérations de grande maintenance du cyclotron, lors desquelles, la culasse du cyclotron étant composée de deux demi-culasses, une demiculasse est levée par des vérins hydrauliques de façon à ménager un accès libre au niveau du plan médian du cyclotron, la source peut être extraite pour révision. Dans notre cas, le cyclotron étant destiné à un usage en proton thérapie, les particules ionisées à produire sont donc des protons; le gaz à ioniser introduit dans la source est de lthydrogène. Compte tenu de ce qui précède, la source à résonance cyclotronique présente des caractéristiques mieux adaptées que celles des sources classiques. Selon une caractéristique avantageuse, I'électroaimant est constitué de deux pôles magnétiques spiralés équipés de secteurs formant des entrefers tantôt étroits tantôt larges. Les secteurs magnétiques spiralés du cyclotron compact ont un profil elliptique comme précédemment décrit, permettant de maintenir constante la composante verticale de l'induction sur l'ensemble de la zone radiale d'accélération Selon une autre caractéristique avantageuse, les pôles de l'électroaimant sont entourés par des bobines utilisant des matériaux supraconducteurs. Le champ magnétique est créé par des bobines circulaires utilisant des matériaux supraconducteurs supprimant ainsi la puissance consommée par le cyclotron, ce qui contribue à réduire aussi le coût du traitement thérapeutique. Selon une autre caractéristique avantageuse, les matériaux ont des propriétés supraconductrices à une température comprise entre 20K et 40K (qualifiés de supraconducteurs haute température). Dans ce mode de conception, I'utilisation de supraconducteurs à haute température, permet également de réduire considérablement la puissance consommée par l'appareil entier, de supprimer le système cryogénique utilisant de l'hélium et de l'azote liquide et de le remplacer par un système cryogénique plus simple Selon une autre caractéristique avantageuse, le système cryogénique est un cryogénérateur fonctionnant, par exemple, selon un cycle de Stirling. Un tel mode de réalisation permet un gain de 220 kW et ne nécessite plus aucun système pour évacuer la puissance dissipée. Les dimensions du cyclotron sont considérablement réduites ainsi que son poids (deux cent dix tonnes actuellement contre quatre-vingt douze tonnes pour la présente invention). Du fait de la simplification du système cryogénique, les caractéristiques de poids et de volume d'un tel cyclotron lui permettent d'être utilisé facilement dans des bâtiments hospitaliers, sans nécessité de concevoir un bâtiment spécial, ou de modifier les structures des bâtiments existants. Tout autre type de cryogénérateur susceptible de fournir les conditions de température requises peut aussi être utilisé. Selon une autre caractéristique avantageuse, les bobines supraconductrices utilisent des supraconducteurs haute température et l'électroaimant produit un champ magnétique central dont l'intensité est comprise entre 1.9T et 2,2T. L'induction est volontairement réduite à une valeur comprise entre 1.9T et 2.2T de façon à maintenir constante la composante du champ magnétique perpendiculaire à la bobine. Cette valeur de l'induction de l'électroaimant permet aussi l'utilisation du champ magnétique du cyclotron lui-même comme champ magnétique pour la source ECR. La source à résonance cyclotronique utilise en effet, directement le champ magnétique du cyclotron qui forme une bouteille magnétique . Les atomes d'hydrogène sont ionisés à l'intérieur de cette bouteille magnétique , dans laquelle on crée aussi un champ électromagnétique haute fréquence qui assure la résonance cyclotronique de la source. Ensuite, les ions sont extraits de la source par le système accélérateur lui-même. Selon une autre caractéristique avantageuse, le générateur haute fréquence utilisé pour obtenir la résonance cyclotronique a une fréquence de 56 GHz et une puissance de quelques dizaines de watts. Selon une caractéristique avantageuse, le cyclotron comporte un dispositif simplifié d'éjection des protons comprenant un seul déflecteur électrostatique, dont le champ électrique est limité à 140 kV/cm sur une longueur de 40 cm et un canal magnétostatique externe aux pôles. Selon une autre caractéristique avantageuse, le déflecteur électrostatique et le canal magnétostatique sont disposés selon un angle de 140". Cette disposition permet l'extraction des protons selon un angle limité à 140 entre la sortie du déflecteur et l'entrée du faisceau dans ie canal magnétostatique. Un autre objet de l'invention est une utilisation du cyclotron précédent dans le domaine médical, en particulier pour la proton thérapie Les sources à résonance cyclotronique (ECR) ont une durée de vie illimitée et sont d'une utilisation beaucoup plus souple que les sources classiques. Ces sources à résonance cyclotronique possèdent leur propre champ magnétique situé dans leur boîtier. Elles sont généralement utilisées pour produire des particules ionisées multichargées. Leur principale application est l'implantation ionique, c'est-à-dire, I'implantation de particules ionisées dans divers matériaux (en général du silicium) permettant la réalisation de composants électroniques. Elles sont aussi couramment utilisées pour la recherche. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre accompagnée des dessins sur lesquels, - la figure 1 représente de manière schématique la bouteille magnétique utilisée pour la source ECR. - la figure 2 représente une vue de dessus dans le plan médian montrant les principaux constituants du cyclotron; - la figure 3 représente une coupe verticale d'un cyclotron suivant la présente invention; - la figure 4 représente une vue particulière de la source ECR dans la région centrale. Sur la figure 1, I'axe de révolution de la bouteille magnétique 10 permettant l'accumulation et l'extraction des protons qui est représentée par des lignes de champ, est identique à l'axe du cyclotron lui-même. La source ECR est introduite suivant ce même axe. Les collines 21 sont toutes attachées à une pièce magnétique centrale 24, centrée sur l'axe précédemment défini. Un mode de réalisation du cyclotron selon la présente invention est représenté schématiquement sur la figure 2. Ce cyclotron comprend un dispositif de confinement sous vide constitué principalement d'une culasse magnétique 2, dans laquelle se trouvent insérés les entrefers consistant en des collines magnétiques 21 et des vallées magnétiques 22. La source ECR ,1, est placée au centre de la culasse 2. Le système hautefréquence d'accélération 3 qui comprend deux électrodes 31 et 32, placées chacune sur deux supports respectivement, 33 et 34, 35 et 36, est placé dans les vallées et est relié à l'amplificateur de puissance par une boucle de couplage magnétique suivie d'un câble coaxial de liaison. La puissance haute-fréquence du système d'accélération 3 est amenée par les deux ouvertures 43 et 44. Le cryogénérateur 7 comportant une pompe cryogénique est relié aux bobines par le trou d'arrivée du pompage cryogénique 71, transperçant la culasse 2 et aboutissant dans les vallées 22 par les ouvertures 72 et 73; les panneaux 74 et 75 de la pompe cryogénique du cryogénérateur sont également visibles. Une canne de mesure du faisceau interne coulissante 6 permet de mesurer l'intensité du faisceau depuis le centre jusqu'au rayon d'extraction. Les protons sont extraits électrostatiquement par déviation grâce au dispositif d'extraction 4 comprenant le canal électrostatique d'extraction 41 du faisceau. Le canal électrostatique d'extraction 41 du faisceau décrit un arc de cercle limité. Les protons y sont déviés de leur trajectoire circulaire et passent ensuite dans le canal d'extraction 42 du faisceau constitué d'une portion d'arc de cercle et d'un tube rectiligne aboutissant hors du cyclotron. L'entrée du canal électrostatique 41 et l'entrée du canal d'extraction 42 sont décalées d'un angle de 1400. La figure 3 représente une vue en coupe selon le plan médian d'un cyclotron suivant la présente invention. La partie située à droite représentant les bobines est une coupe verticale faite selon une colline; la partie de gauche, représentant le système d'accélération, est une coupe faite selon une électrode dudit système d'accélération. Les différents éléments sont contenus dans la culasse magnétique 2. Les bobines supraconductrices 23 sont susceptibles de fonctionner à une température comprise entre 20K et 80K,et sont utilisées dans l'invention entre 20K et 40K. Ces bobines sont de formes essentiellement circulaires sont contenues dans une enveloppe thermique 25, soutenues par un support 26 et reliées au système cryogénique 7 de mise en température des bobines par le trou de pompage cryogénique 71. Dans le cas de supraconducteurs à haute température, ce système est un générateur cryogénique comprenant une pompe cryogénique, d'utilisation simple, fonctionnant selon un cycle de Stirling. La source ECR 1, placée au centre du cyclotron est reliée à un amplificateur haute-fréquence 9 par un guide d'onde de liaison 8 reliant la source 1 à l'amplificateur 9, de façon à obtenir une résonance cyclotronique. Le système d'accélération haute fréquence 3 comprend, comme cela est classiquement le cas, un résonateur haute-fréquence 39 comportant deux électrodes 31 et 32 ainsi qu'un retour de masse 38. Les électrodes 31 et 32 de ce système d'accélération 3 sont chacune reliées à un générateur haute-fréquence, non représenté sur la figure, par les orifices d'arrivée, 43 et 44, de la puissance haute-fréquence. Le système d'accélération est placé à proximité de la source. Une coupe selon l'électrode 31 permet de représenter l'ouverture 37 de l'électrode. Dans le cas de la présente invention, le champ central est fixé à une valeur comprise entre 1.9T et 2.2T, I'amplificateur haute-fréquence 9 a une fréquence de 56 GHz pour une puissance d'environ 20 W. La source ayant une durée de vie illimitée, elle est introduite de façon fixe, sous vide, à l'intérieur du cyclotron, par le canal d'introduction de la source 29. Les deux pôles du cyclotron 27 et 28, sont constitués par la surface des collines la plus proche du plan médian du cyclotron, laquelle est fixée sur une partie de la culasse 2 lui servant de support. L'ensemble formé par la partie de la culasse 2 servant de support aux collines située audessus du plan médian et la surface faisant face au plan médian, de chacune des collines situées au-dessus du plan médian, forme le pôle supérieur. De même, l'ensemble formé par la partie de la culasse 2 servant de support aux collines, située sous le plan médian et la surface faisant face au plan médian de chacune des collines situées sous le plan médian, forme le pôle inférieur. La figure 4 représente plus en détail la source ECR comportant un corps 11, un cône d'extraction 12 où se situe l'orifice d'extraction 13 des ions. Le gaz à ioniser, dans le cas présent de l'hydrogène est amené par le capillaire 14 d'amenée du gaz, raccordé sur le corps de source par le raccord 15. Les protons sont extraits de la source par l'orifice d'extraction 13 du faisceau. A l'extérieur du cyclotron est fixée une vanne de haute précision (non représentée) permettant de réguler très précisément le débit d'hydrogène qui est introduit dans la source. La source ECR 1 est reliée à un amplificateur haute fréquence par l'intermédiaire du prolongement 16 du guide d'onde qui est sous vide et raccordé au corps de source par le raccord 19. La puissance de l'amplificateur haute-fréquence est amenée à travers le guide d'onde 17 jusqu'au corps de source il. La source est mise sous vide grâce à la fenêtre de pressurisation 18 située sur le prolongement 16 du guide d'onde. Revendications 1. Cyclotron compact comportant une source d'ions (1), un dispositif de confinement sous vide; un électroaimant; un système accélérateur haute-fréquence (3) et un système d'extraction (41,42), caractérisé en ce que la dite source d'ions est une source à résonance cyclotronique (ECR), placée au centre du dispositif de confinement. 2. Cyclotron selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électroaimant est constitué de deux pôles magnétiques spiralés équipés de secteurs formant des entrefers (21) tantôt étroits tantôt larges (22). 3. Cyclotron selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les pôles de l'électroaimant sont entourés par des bobines (23) utilisant des matériaux supraconducteurs. 4. Cyclotron selon la revendication 3, caractérisé en ce que les matériaux ont des propriétés supraconductrices à une température comprise entre 20K et 40K. 5. Cyclotron selon la revendication 4, caractérisé en ce que le système cryogénique (7) est constitué d'un cryogénérateur fonctionnant selon un cycle de Stirling. 6. Cyclotron selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que l'électroaimant produit un champ magnétique central dont l'intensité est comprise entre 1.9T et 2,2T. 7. Cyclotron selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le système d'extraction comporte un déflecteur électrostatique (41) dont le champ électrique est limité à 140KV/cm sur une longueur de 40cm et un canal magnétostatique (42) externe aux pôles. 8. Cyclotron selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que le déflecteur électrostatique (41) et le canal magnétostatique (42) sont disposés selon un angle de 140". 9. Cyclotron selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le générateur haute-fréquence (9) utilisé pour obtenir la résonance cyclotronique de la source, a une fréquence de 56 GHz. 10. Dispositif pour la protonthérapie, caractérisé en ce qu'il comprend un cyclotron tel que défini dans l'une quelconque des revendications 1 à 9.