Brevet FR3077646A1 — publié le 20190809

SYSTEME DE CARACTERISATION D'UN FAISCEAU DE PARTICULES CHARGEES ET MACHINE DE PRODUCTION D'UN FAISCEAU DE PARTICULES CHARGEES COMPRENANT UN TEL SYSTEME Domaine de l'invention L'invention concerne un système de caractérisation d'un faisceau de particules chargées, et une machine de production d'un faisceau de particules chargées comprenant un tel système. Elle est en particulier destinée à la mesure de position, de profil et/ou d'intensité de faisceaux de particules chargées dans le vide, les particules ayant par exemple une énergie cinétique de quelques méga-électrons- volts à plusieurs dizaines de giga-électrons-volts et le faisceau ayant une intensité de l'ordre de la centaine de femto-ampère jusqu'au micro-ampère. L'invention trouve son application principale dans le domaine de la santé, en particulier dans les équipements de traitement de tumeurs cancéreuses par la mesure et le guidage de faisceaux d'ions thérapeutiques. Elle peut également être utilisée sur les lignes de faisceau de particules chargées des équipements de production d'isotopes radiopharmaceutiques ou encore des équipements de lignes telles qu'utilisées dans la recherche académique dans le domaine nucléaire ou d'irradiation en biologie. Etat de la technique Le traitement des tumeurs cancéreuses fait appel à des méthodes thérapeutiques telles que l'hadronthérapie, ou plus particulièrement la protonthérapie, basées sur l'irradiation des cellules cancéreuses au moyen d'un faisceau de particules chargées, respectivement des ions et des protons. Grâce à leur charge électrique, ces particules sont capables d'acquérir une énergie cinétique par application d'un champ électrique et d'être guidées en faisceau. Le traitement des tumeurs cancéreuses par hadronthérapie et protonthérapie requiert typiquement des particules ayant des énergies cinétiques situées entre 50 MeV par nucléon et 900 MeV par nucléon pour les ions et entre 70 MeV et 250 MeV pour les protons. Cette gamme d'énergie est communément appelée gamme d'énergie thérapeutique. 2 Par ailleurs, un avantage bien connu de ces méthodes, comparativement aux autres traitements de radiothérapie classiques, est la possibilité d'améliorer l'irradiation des cellules cancéreuses en évitant de dégrader les tissus sains et les organes situés à proximité de la zone à traiter. 5 Monitorer le faisceau requiert une mesure des propriétés du faisceau, en particulier son intensité, sa position et son profil. Cette mesure est classiquement effectuée au moyen d'un moniteur installé à proximité ou au sein de la machine servant à effectuer le traitement thérapeutique. En traversant le moniteur, le faisceau subit une dispersion angulaire, c'est-à-dire une 10 déviation par rapport à sa trajectoire initiale, ayant pour conséquence de modifier l'étalement latéral du faisceau à une distance donnée du moniteur. Dans le cas d'un traitement opérant par balayage de la tumeur (Pend! Beam Scanning en anglais), la dispersion angulaire doit être suffisamment faible afin de circonscrite le faisceau à un étalement latéral submillimétrique au niveau du patient et être tolérable. Ainsi, si le 15 moniteur est situé à quelques mètres en amont du patient, cela implique donc que l'épaisseur de celui-ci ne doit excéder 15 micromètres équivalent-eau (Water Equivalent Thickness, WET), la mesure en micromètre équivalent-eau étant une mesure de la profondeur d'interaction d'un faisceau de particules chargées avec un milieu, par exemple un matériau. 20 Pour une particule de charge électrique z et de quantité de mouvement p (en MeV/c) traversant une épaisseur x de matière (en cm), la dispersion angulaire (en terme de moyenne quadratique, i.e. Root Mean Square (RMS) en anglais) 00 (en radians) est approximativement donnée par: 13,6 MeV (1) 00= fl.c.p 25 où X0 est la longueur de radiation du milieu traversé, en cm, l la vitesse de la particule par rapport à c, la vitesse de la lumière. Dans le cas de la protonthérapie et de l'hadronthérapie, les particules étant dans un régime peu relativiste, la dispersion s'écrit comme suit : 00= K Ekin (2) 3 OÙ Ekin est l'énergie cinétique de la particule et K = 132,6 xmevz une constante absorbant les autres paramètres. On voit ainsi que pour se conformer à une même dispersion 00 passant d'une énergie cinétique donnée à une énergie cinétique 10 fois plus basse, Ekin Ekin/10, il convient d'avoir une épaisseur x 100 fois plus faible, i.e. x ,/x/100 vi/io 5 x/100, du fait que K = K = 00. Ces critères angulaires qualitatifs sont Ekin/10 Ekin/10 représentés plus précisément sur les figures 1c à 4c, basées sur une simulation numérique. En relation avec les équations (1) et (2) ci-dessus, et comme illustré sur la figure la, à faisceau d'énergie constante, plus l'épaisseur de matière traversée est faible et 10 plus la dispersion du faisceau est faible, et donc plus la fraction d'énergie transmise est élevée. Par exemple, pour que la contrainte d'étalement latéral de 1 mm, à 2 m du moniteur, (appelée ici de type protonthérapie) soit respectée, il est nécessaire que l'épaisseur de matière traversée par un faisceau de protons à 10 MeV soit inférieure à 1 pm WET. En revanche, pour un faisceau de protons de 250 MeV, l'épaisseur du 15 moniteur ne doit pas excéder 100 pm WET. Par ailleurs, les figures lb et lc montrent que les pertes en énergie d'un faisceau de protons sont représentées en fonction de l'épaisseur de matière traversée par ledit faisceau sur une plage en énergie comprise entre 1 keV et 10 GeV et pour des épaisseurs de 0,1 pm WET, 1 pm WET, 10 pm WET et 100 pm WET. Aux hautes 20 énergies, la fraction d'énergie transmise est égale à 1, c'est-à-dire que le faisceau de protons n'est quasiment pas perturbé par les épaisseurs de matière traversée, et diminue avec l'énergie du faisceau. Par ailleurs, plus l'épaisseur de matière traversée est faible et plus la diminution de la fraction d'énergie transmise intervient aux plus basses énergies. 25 L'analyse des figures 2a, 3a et 4a, montre que la contrainte d'étalement latéral de type protonthérapie ne peut être respectée que pour des moniteurs dont l'épaisseur n'excède pas 0,1 pm WET pour un faisceau d'électrons à 10 MeV ou environ 3 pm WET pour un faisceau de particules alphas ou d'ions 12C à 10 MeV/u. Par ailleurs, les figures 2b, 2c, 3b, 3c, 4b et 4c montrent les pertes en énergie d'un faisceau d'électrons, de particules alphas et d'ions 12C en fonction de l'épaisseur de matière traversée par ledit faisceau sur une plage en énergie comprise entre 1 keV et 10 4 GeV (électrons) et 1 keV/u et 10 GeV/u (alphas et ions 12C) et pour les épaisseurs ci-dessus mentionnées. De manière similaire à ce qui a été observé pour un faisceau de protons, la fraction d'énergie transmise après que de tels faisceaux aient traversé le moniteur est de plus en plus impacté à mesure que l'épaisseur de matière 5 traversée augmente et que l'énergie du faisceau incident diminue. Pour que l'exigence d'étalement latéral soit respectée, il a donc été mis en évidence par le déposant qu'il est nécessaire que le système de caractérisation du faisceau de particule interceptant le faisceau soit d'épaisseur micrométrique, par exemple inférieure à 15 pm WET. Pour autant, cette exigence n'est pas limitée à la simple 10 utilisation de ces moniteurs en hadronthérapie ou protonthérapie, et il s'agit d'un critère d'évaluation qualitatif pour le monitorage de faisceaux de particules chargées qui pourra être utilisé pour d'autres applications. Les principales solutions actuellement développées dans l'industrie pour caractériser des faisceaux de particules chargées consistent en des chambres à ionisation. Le 15 document US 2014/0265823 décrit de telles chambres à ionisation. Elles sont typiquement constituées de deux électrodes se faisant face, séparées l'une de l'autre par un volume de gaz. La chambre à ionisation est placée dans le vide de la ligne et au passage du faisceau de particules, des ions sont générés par impact des molécules du gaz avec les particules, en libérant des électrons. Les électrons éjectés 20 sont alors collectés par une cathode, ce qui permet de générer un signal mesurable et de déterminer l'intensité et la forme du faisceau de particules. Indépendamment de leur performance en termes de dispersion du faisceau, les chambres à ionisation présentent de nombreux inconvénients. En effet, la pression de gaz doit être adaptée à la gamme d'intensité du faisceau, notamment à cause des 25 phénomènes de charge d'espace. De plus, elles nécessitent des moyens supplémentaires situés au sein du dispositif, par exemple des capteurs, pour contrôler les paramètres environnementaux (température, pression, humidité) ce qui limite intrinsèquement la miniaturisation de ces chambres et alourdit les opérations effectuées au moyen desdites chambres. De plus, pour assurer une bonne tenue aux 30 radiations, celles-ci doivent être fréquemment remplacées. En effet, les radiations provoquent une détérioration des parois, et notamment de leurs propriétés de tenue mécanique, altérant leur résistance à la pression exercée par le gaz et 5 subséquemment aux fuites. Par ailleurs, pour les faisceaux de particules ayant des densités de courant élevées, des moyens de correction du signal sont également nécessaires. En effet, en traversant le gaz, un tel faisceau provoque la recombinaison des paires électrons-trous et génère un grand nombre de paires 5 électrons-trous ce qui perturbe le signal, entrainant une erreur de mesure de l'intensité et de la forme du faisceau si le signal n'est pas corrigé. D'autres solutions alternatives ont également été développées pour monitorer les faisceaux de particules. Le document US 7,515,681 B2 décrit un système basé sur l'utilisation d'un écran à 10 base de matériau scintillant situé entre la source du faisceau de particules et la zone à irradier. En réponse à un faisceau de protons, le matériau convertit l'énergie déposée sur l'écran en lumière visible. Cette lumière est alors transférée au moyen de dispositifs optiques (e.g lentilles, miroirs, etc.), qui génèrent potentiellement des perturbations sur le signal, jusqu'à un ou plusieurs capteurs-imageurs permettant de 15 fournir instantanément la position et le profil du faisceau. Dans un tel système, la taille du capteur photosensible doit être la plus grande que possible afin de contrebalancer le facteur de rétrécissement requis pour projeter l'image de l'écran sur le(s) capteur(s)-imageur(s), ce qui le rend particulièrement encombrant. De plus, des artéfacts de mesure peuvent apparaître lorsque la distance séparant les 20 capteurs de l'écran n'est pas précisément ajustée, impliquant l'utilisation de moyens optiques complexes. Par ailleurs, l'épaisseur du système n'est pas indiquée, hormis celle du substrat qui est de 100 pm dans un exemple de réalisation. Shapira et al. (Nuclear instrument and Methods in Physics Research, vol. 454, p. 409-420, 200) proposent un système d'imagerie déportée pour l'hadronthérapie basé 25 sur l'émission d'électrons secondaires. Dans ce système, une feuille inclinée de 45° ou 30° par rapport à l'axe de propagation du faisceau de particules est traversée par ce faisceau, générant des impacts ioniques à l'origine du mécanisme d'émission d'électrons secondaires à la surface de la feuille. Les électrons éjectés de la feuille sont ensuite soumis à une première impulsion provenant d'un champ électrique afin 30 de pointer en direction d'un détecteur imageur, puis, à une deuxième impulsion provenant d'un champ électrique plus modéré de manière à être accélérés vers ledit détecteur. Le détecteur multiplie alors le nombre d'électrons incidents et, en 6 combinaison avec un écran scintillant, le signal détecté et traité afin d'être imagé sous forme d'un motif 2D d'électrons. Un masque est également placé à proximité du détecteur afin de minimiser la dispersion des électrons émis depuis la feuille. Le système est donc relativement complexe. De plus, la résolution du motif obtenu est 5 limitée à celle du détecteur ( REVENDICATIONS1. Système de caractérisation (1) d'un faisceau (F) de particules chargées, le système comprenant un empilement, ledit empilement comprenant : - un motif (20) ultramince formé d'un matériau électriquement conducteur ; - un substrat (10) mince portant le ledit motif ; l'empilement formant une électrode émettrice (2), ladite électrode émettrice étant apte à émettre des électrons secondaires (es7) à proximité d'une surface (22) dudit motif lorsque ladite électrode émettrice est traversée par le faisceau de particules chargées. 2. Système de caractérisation (1) selon la revendication 1, dans lequel l'empilement comprend en outre au moins une couche d'accroche (28) interposée entre le motif (20) et le substrat (10) de manière à faciliter l'adhésion dudit motif sur le substrat. 3. Système de caractérisation (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le substrat (10) est formé d'un matériau thermostable tel qu'un polymère et/ou une céramique. 4. Système de caractérisation (1) selon la revendication 1, dans lequel le substrat (10) est formé d'un polyimide tel que le Kapton ®, le CP1C)) et/ou d'une polyetherethercétone ou de PET (Polytéréphtalate d'éthylène). 5. Système de caractérisation (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'épaisseur du motif (20) est comprise entre 10 nm et 100 nm. 6. Système de caractérisation (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit substrat (10) est isolant électriquement et ledit motif (20) est formé d'une pluralité de segments conducteurs (24) isolés électriquement les uns des autres. 7. Système de caractérisation (1) selon la revendication 6, dans lequel lesdits segments (24) sont faits d'un matériau inoxydable, préférentiellement d'or. 8. Système de caractérisation (1) selon les revendications 6 à 7, dans lequel lesdits segments (24) sont situés côte à côte dans un plan destiné à s'étendre sensiblement perpendiculairement à la direction de propagation du faisceau. 31 9. Système de caractérisation (1) selon la revendication 8, dans lequel lesdits segments (24) sont orientés dans une même direction, de même largeur et équidistants, de manière à échantillonner le faisceau (F) selon un axe donné. 10. Système de caractérisation (1) selon les revendications 8, dans lequel lesdits 5 segments (24) sont découpés en secteurs angulaires, de manière à mesurer le non-centrage et/ou la distribution angulaire du faisceau (F). 11. Système de caractérisation (1) selon les revendications 8, dans lequel lesdits segments (24) sont découpés en secteurs concentriques, de manière à mesurer le non-centrage et/ou et la distribution radiale du faisceau (F). 10 12. Système de caractérisation (1) selon les revendications 8, dans lequel lesdits segments (24) sont découpés en secteurs angulaires et concentriques de manière à réaliser une imagerie du faisceau (F). 13. Système de caractérisation (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, comprenant en outre une électrode collectrice (3), ladite électrode 15 collectrice étant soumise à un potentiel positif, ledit potentiel étant supérieur au potentiel de l'électrode émettrice (2), de manière à collecter les électrons secondaires (e;) émis par ladite électrode émettrice. 14. Système de caractérisation (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un moyen de mesure (4), ledit moyen permettant de 20 mesurer la quantité d'électrons secondaires (es7) émis depuis la surface de l'électrode émettrice (2). 15. Machine de production d'un faisceau de particules chargées comprenant un système (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, ledit système étant fixe et à demeure. 25 16. Utilisation d'un système de caractérisation (1) tel que décrit dans les revendications 1 à 14 pour caractériser un faisceau de particules chargées d'un équipement de traitement des tumeurs cancéreuses.