Brevet FR2803715A1 — publié le 20010713

L'invention concerne de façon générale des accélérateurs de faisceaux de particules à ondes stationnaires, et plus particulièrement des accélérateurs de faisceaux de particules chargées dans lesquels l'onde stationnaire dans au moins une cavité de couplage latéral peut être commutée en au moins deux asymétries différentes par rapport au couplage de champs électromagnétiques vers les deux cavités principales adjacentes, pour commuter l'énergie du faisceau de particules. Des accélérateurs de faisceaux de particules à ondes stationnaires ont trouvé une large utilisation en tant qu'accélérateurs médicaux dans lesquels le faisceau de particules à haute énergie est utilisé pour générer des rayons X. Dans cette application, l'énergie des rayons X en sortie doit être stable. Il est également souhaitable que l'énergie du faisceau de particules puisse être commutée aisément et rapidement pour produire des faisceaux de rayons X de différentes énergies afin de permettre différentes pénétrations des rayons X pendant des traitements médicaux. Une technique pour commander l'énergie du faisceau consiste à faire varier l'énergie RF appliquée aux cavités d'accélération. D'autres formes d'exécution ont été décrites dans divers brevets. Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 286 192 de Tanabe et Vaguine, l'énergie est commandée par inversion des champs d'accélération dans une partie de l'accélérateur afin de ralentir le faisceau. Dans le brevet des EtatsUnis d'Amérique n 4 382 208 de Meddaugh et collaborateurs, la répartition du champ électromagnétique est modifiée dans la cavité de couplage afin de commander les champs appliqués aux cavités de résonateurs adjacents. Le brevet n 4 746 839 de Kazusa et Yoneda décrit l'utilisation de deux cavités de couplage qui sont connectées pour commander les champs d'accélération. Un objet de l'invention est de procurer un accélérateur de faisceau de particules à onde stationnaire à couplage latéral d'énergie, commutable. Un autre objet de l'invention est de procurer un accélérateur de faisceau de particules à onde stationnaire à cavité de couplage latérale d'énergie commutable qui peut être commuté pour produire trois niveaux d'énergie de sortie sans pratiquement aucune variation de fréquence et d'étalement du spectre d'énergie. Pour réaliser les objets ci-dessus et d'autres objets de l'invention, l'accélérateur de particules comprend une cavité d'entrée destinée à recevoir les particules chargées, des cavités intermédiaires d'accélération et une cavité de sortie, et plusieurs cavités de couplage connectant des paires adjacentes desdites cavités le long de l'accélérateur, au moins l'une des cavités de couplage comprenant des moyens destinés à commuter l'amplitude du champ électromagnétique réalisant un couplage avec des cavités adjacentes entre un premier niveau et au moins deux niveaux supplémentaires pour produire en sortie de l'énergie à au moins trois niveaux. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe transversale schématique d'un accélérateur de faisceau de particules à onde stationnaire à couplage par cavité latérale; la figure 2 est une vue en coupe à échelle agrandie suivant la ligne 2-2 de la figure 1, montrant la cavité latérale selon une forme de réalisation de l'invention; la figure 3 est une vue en plan correspondant globalement à la figure 2; et la figure 4 est une vue en plan d'une autre forme de réalisation de l'invention. La figure 1 est une vue en coupe axiale schématique d'une structure d'un accélérateur à onde stationnaire de particules chargées mettant en oeuvre l'invention. Elle comporte une chaîne de cavités résonantes en couplage électromagnétique. Un faisceau linéaire d'électrons 12 est injecté dans l'accélérateur par une source classique 14 à canon à électrons. Le faisceau 12 peut être continu ou pulsé. La structure 10 d'accélérateur à onde stationnaire est excitée par de l'énergie hyperfréquence dont la fréquence est proche de sa fréquence de résonance, comprise entre 1000 et 10 000 MHz, dans un exemple égale à 2856 MHz. L'énergie pénètre dans une cavité 16, avantageusement l'une des cavités situées le long de la chaîne, en passant à travers un iris 15. Les cavités d'accélération de la chaîne sont de deux types, 16, 18. Les cavités sont de forme torique avec des ouvertures centrales alignées 17 pour faisceau qui permettent le passage du faisceau 12. Les cavités 16 et 18 ont avantageusement des mentonnets en saillie 19 d'une configuration optimisée pour améliorer l'efficacité de l'interaction de l'énergie hyperfréquence et du faisceau d'électrons. Pour des accélérateurs d'électrons, les cavités 16, 18 sont en couplage électromagnétique entre elles par une cavité 20 "latérale" ou "de couplage" qui est couplée à chacune des paires adjacentes de cavités par un iris 22. Les cavités de couplage 20 résonnent à la même fréquence que les cavités d'accélération 16, 18 et elles n'interagissent pas avec le faisceau 12. Dans cette forme de réalisation, elles sont de forme cylindrique avec une paire de mentonnets conducteurs 24 en couplage capacitif, faisant saillie axialement. La fréquence d'excitation est telle que la chaîne est excitée en résonance d'onde stationnaire avec un déphasage de 7z/2 radian entre chaque cavité de couplage et la cavité d'accélération adjacente. Ainsi, il y a un déphasage de n radians entre des cavités d'accélération adjacentes 16, 18. Le mode identiques aux cavités 16, 18. L'écartement entre des cavités d'accélération 16, 18 est d'environ la moitié d'une longueur d'onde en espace libre, afin que des électrons accélérés dans une cavité 16 arrivent à la cavité d'accélération suivante bien en phase par rapport au champ hyperfréquence pour subir une accélération supplémentaire. Après avoir été accéléré, le faisceau 12 atteint une cible 32 à rayons X. En variante, l'élément 32 peut être une fenêtre à vide en métal suffisamment mince pour transmettre les électrons afin d'irradier de particules un sujet. Si toutes les cavités d'accélération 16, 18 et toutes les cavités de couplage 20 sont similaires et en symétrie d'image réfléchie par rapport à leurs plans centraux, le champ dans toutes les cavités d'accélération est sensiblement le même. Dans l'art antérieur tel que décrit, par exemple, dans les brevets n 4 286 192, n 4 382 208 et n 4 746 839 précités, qui sont tous cités ici dans leur totalité à titre de référence, au moins une cavité de couplage est configurée de façon à permettre une commande ou un réglage de l'énergie de sortie du faisceau d'électrons. Dans le brevet n 4 382 208 précité, l'énergie de sortie est commandée en rendant asymétrique la cavité de couplage au moyen d'un réglage mécanique. L'asymétrie géométrique produit une asymétrie de la répartition du champ électromagnétique dans la cavité de couplage 34 de manière que la composante de champ magnétique soit plus grande à un iris 38 qu'à l'autre iris 40. Le champ magnétique couplé est donc plus grand dans les cavités précédentes 16 couplées par l'intermédiaire de l'iris 38 que dans les cavités suivantes 18 couplées à travers l'iris 40. Etant donné que les cavités 16, 18 sont identiques, le taux de champs d'accélération dans les cavités 16 et 18 est directement proportionnel au taux de champs magnétiques sur les iris 38 et 40. En faisant varier le degré de l'asymétrie magnétique dans la cavité de couplage 34, on peut modifier la tension RF dans le champ d'accélération dans la chaîne suivante 18 tout en laissant le champ d'accélération constant dans les cavités 16 à proximité de la région d'injection du faisceau. L'énergie du faisceau de sortie peut ainsi être ajustée sélectivement. Etant donné que la formation de paquets d'électrons à partir d'un faisceau continu initial a lieu dans les premières cavités 16 parcourues, la formation de paquets peut y être optimisée et n'est pas dégradée par la variation du champ d'accélération dans les cavités de sortie 18. L'étalement des énergies dans le faisceau de sortie est ainsi rendu indépendant de l'énergie électronique moyenne et variable de sortie. L'énergie variable perdue vers le faisceau par les cavités de sortie 18 modifie évidemment les impédances de charge vues par la source hyperfréquence (non représentée) produisant une faible énergie hyperfréquence réfléchie à partir de l'iris 15. Cette variation est faible et peut être aisément compensée soit par une impédance variable, soit par un réglage de la puissance hyperfréquence d'entrée. Dans l'art antérieur, les niveaux d'énergie de sortie sont généralement limités à deux niveaux, un premier niveau d'énergie avec la cavité latérale configurée de façon à ne pas perturber la configuration des champs à l'intérieur de la cavité, grâce à quoi il y a un couplage inductif égal vers les cavités adjacentes à travers les iris 38, 40 et un second niveau d'énergie dans lequel les champs à l'intérieur de la cavité sont modifiés par un changement de la configuration physique de la cavité et du couplage inductif à travers les iris pour modifier le champ dans les cavités 16, 18 afin de faire varier ainsi le champ magnétique aux deux iris. On a besoin dans de nombreux processus médicaux de trois niveaux ou plus d'énergie de sortie pour former différents niveaux de rayons X pour le traitement de tumeurs, etc., qui sont situées à différentes profondeurs dans le corps du patient. La cavité latérale ou de couplage conforme à l'invention est configurée de façon à comporter deux ou plus de deux plongeurs ou sondes positionnés de façon asymétrique. Les sondes sont avantageusement des cylindres circulaires, bien qu'elles puissent être des cylindres carrés ou d'autres formes. En référence à présent en particulier à la cavité de couplage 34, figure 2, elle comprend un corps cylindrique 50 en forme de godet qui forme une cavité de couplage cylindrique 52 reliée au corps principal 53 de l'accélérateur. Des mentonnets ou éléments 54 ayant des faces extrêmes opposées font saillie axialement dans la cavité. Des plongeurs ou sondes mobiles 56, 57, figure 2, avancent radialement vers l'intérieur de la cavité à travers la paroi 50 de la cavité de couplage cylindrique, leurs axes définissant un "V". Ceci laisse physiquement de la place pour les mécanismes qui sont en prise avec les extrémité des sondes pour faire avancer et reculer les sondes 56, 57 sans interférence mécanique. Le mécanisme (non représenté) peut comporter des bobines électriques ou des vérins pneumatiques. Le mouvement des plongeurs s'effectue à travers la paroi à vide en passant par des soufflets 61, 62 qui assurent l'étanchéité au vide. Comme on l'expliquera, le mouvement des plongeurs est programmé de façon à modifier les champs magnétiques à l'intérieur de la cavité pour produire soit un champ symétrique avec les deux plongeurs retirés, soit des champs magnétiques asymétriques différents avec l'un ou l'autre des plongeurs 56, 57 avancés à l'intérieur de la cavité sur une distance prédéterminée à partir d'un mentonnet adjacent 54 pour modifier les champs magnétiques qui sont en couplage avec les iris. L'asymétrie qui est introduite peut être commandée par le diamètre des plongeurs et, ensuite et surtout, par la position de l'extrémité du plongeur à l'intérieur de la cavité par rapport au mentonnet 54. Habituellement, des sondes situées en amont de l'axe central longitudinal de la cavité diminuent le couplage magnétique vers l'iris situé en aval et, par conséquent, diminuent l'énergie débitée en sortie, tandis que des sondes sur le côté situé en aval du centre longitudinal de la cavité augmentent le couplage magnétique d'aval vers l'iris d'aval et augmentent donc l'énergie débitée en sortie. Etant donné que les sondes des figures 2 et 3 sont placées de façon à être adjacentes au mentonnet d'amont 54, le degré d'introduction et la dimension d'une sonde peuvent être choisis pour diminuer le couplage magnétique vers l'iris d'aval d'une première quantité en comparaison avec l'iris d'amont afin de diminuer d'une quantité prédéterminée l'énergie débitée en sortie. Le degré d'introduction et la dimension de l'autre sonde peuvent être choisis de façon à diminuer le couplage magnétique d'une quantité différente afin de diminuer d'une seconde quantité la puissance débitée en sortie. Dans un exemple, les deux sondes étant retirées, l'énergie de sortie était de 2,88 aJ et est passée à 1,6 aJ et à 0,96 aJ, respectivement, par l'introduction de l'un ou l'autre des plongeurs. De plus, il existe des exigences d'accord qui n'ont pas encore été décrites. En particulier, on ne peut pas passer outre l'exigence normale d'accorder la cavité latérale commutée sur la même fréquence que celle des autres cavités latérales. La stabilité du guide en est autrement compromise. On satisfait principalement à l'exigence d'accord en faisant varier le diamètre de la sonde et le degré d'introduction. En général, les champs magnétiques d'amont et d'aval sont tels qu'il n'y a pas de champ résultant dans la cavité de commutation. Sur la figure 4, les sondes 56a, 57a sont espacées longitudinalement sur la longueur de la cavité de manière qu'une sonde soit disposée en amont du centre longitudinal de la cavité et l'autre en aval. Ainsi, l'introduction de la sonde d'amont 56a diminue le couplage magnétique à travers l'iris d'aval et diminue l'énergie débitée en sortie en comparaison avec le cas dans lequel les deux sondes sont rétractées. L'introduction de la sonde d'aval 57a augmente le couplage magnétique à travers l'iris d'aval et augmente l'énergie débitée en sortie en comparaison avec le cas dans lequel les deux sondes sont rétractées. A titre d'exemple, on peut augmenter l'énergie de 1,6 aJ à 2,88 aJ ou la diminuer de 1,6 aJ à 0,96 aJ. Il est donc proposé un accélérateur par lequel le faisceau d'énergie peut être commuté à trois niveaux en utilisant deux sondes s'étendant radialement. Les sondes sont introduites radialement à partir de deux directions différentes formant une configuration en "V". Cette configuration permet aux mécanismes qui supportent et déplacent chacune des sondes d'être dégagés les uns des autres. L'utilisation de deux sondes permet d'introduire les sondes individuellement, le diamètre des sondes étant choisi de façon à maintenir la résonance et à atteindre trois niveaux de puissance de sortie avec un étalement minimal de l'énergie. 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 destiné à accélérer un faisceau (12) de particules, caractérisé en ce qu'il comporte une chaîne résonante de cavités électromagnétiques (16, 18) couplées en série et résonant approximativement à la même fréquence, une cavité de couplage (20) couplée à chacune d'au moins deux cavités intermédiaires adjacentes, au moins des premier et second moyens à sondes (56, 57) destinés à être introduits indépendamment dans la cavité de couplage pour modifier la répartition des champs électromagnétiques dans la cavité, grâce à quoi le couplage des champs électromagnétiques entre lesdites deux cavités adjacentes est modifié pour faire varier ainsi l'énergie du faisceau de particules depuis une valeur pour laquelle les sondes sont rétractées jusqu'à une première valeur différente, pour laquelle une sonde est introduite, et une autre valeur différente pour laquelle seule l'autre sonde est introduite. 2. Accélérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité de couplage (52) est cylindrique, et les moyens à sondes destinés à modifier le champ électro- magnétique dans la cavité de couplage sont introduits radialement en formant un angle radial entre eux de façon à former un "V". 3. Accélérateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les premier et second moyens à sondes sont tous deux sur un côté de l'axe central longitudinal de la cavité de couplage. 4. Accélérateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les premier et second moyens à sondes sont situés sur les côtés opposés de l'axe central longitudinal de la cavité de couplage. 5. Accélérateur selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisé en ce que le couplage des champs électromagnétiques vers les deux cavités adjacentes s'effectue à travers les iris (38, 40) et les moyens à sondes modifient la répartition du champ électro- magnétique par rapport aux iris. 6. Accélérateur de particules ayant une chaîne de cavités (16, 18) d'accélération électromagnétique, des cavités cylindriques de couplage (20, 34) réalisant un couplage électromagnétique avec des cavités d'accélération adjacentes, les cavités de couplage ayant des mentonnets conducteurs axiaux et opposés (54), l'accélérateur étant caractérisé en ce que l'une (34) des cavités intermédiaires de couplage comprend au moins des premier et second moyens à sondes (56, 57) destinés à être introduits de façon indépendante dans la cavité de couplage pour modifier la répartition des champs électromagnétiques dans la cavité de couplage, grâce à quoi le couplage des champs électro- magnétiques vers lesdites deux cavités adjacentes est modifié d'une quantité différente par l'introduction de l'un ou l'autre des moyens à sondes afin que les champs d'accélération dans les cavités d'accélération soient modifiés pour faire varier l'énergie du faisceau de particules. 7. Accélérateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens à sondes destinés à faire varier le champ électromagnétique dans la cavité de couplage sont introduits radialement en formant un angle radial entre eux sous la forme d'un "V". 8. Accélérateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les premier et second moyens à sondes sont tous deux sur un côté de l'axe central longitudinal de la cavité de couplage. 9. Accélérateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les premier et second moyens à sondes sont situés sur les côtés opposés de l'axe central longitudinal de la cavité de couplage. 10. Accélérateur selon l'une quelconque des revendications 6, 7, 8 et 9, caractérisé en ce que le couplage des champs électromagnétiques vers les deux cavités adjacentes s'effectue à travers des iris (38,40) et les moyens à sondes modifient la répartition du champ électro- magnétique par rapport aux iris.