EP3248443A1 - Accelerateur de particules a eplucheur integre - Google Patents

Accelerateur de particules a eplucheur integre

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EP3248443A1
EP3248443A1 EP16701005.7A EP16701005A EP3248443A1 EP 3248443 A1 EP3248443 A1 EP 3248443A1 EP 16701005 A EP16701005 A EP 16701005A EP 3248443 A1 EP3248443 A1 EP 3248443A1
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EP
European Patent Office
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accelerator
ions
harmonic
peeler
frequency
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16701005.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Pierre Mandrillon
Jérôme MANDRILLON
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Original Assignee
Individual
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Publication date
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Publication of EP3248443A1 publication Critical patent/EP3248443A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H05H13/005—Cyclotrons
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    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H13/00—Magnetic resonance accelerators; Cyclotrons
    • H05H13/02—Synchrocyclotrons, i.e. frequency modulated cyclotrons
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    • H05H2007/088—Arrangements for injecting particles into orbits by mechanical means, e.g. stripping foils
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    • H05H7/12—Arrangements for varying final energy of beam
    • H05H2007/125—Arrangements for varying final energy of beam by mechanical means, e.g. stripping foils

Definitions

  • the present invention relates to particle accelerators, and more particularly to cyclotrons. These are an interesting solution for accelerating particles at high energies, for various applications, medical, industrial or in the field of nuclear physics.
  • Cyclotrons are used with ion sources that produce particles to accelerate. There may be an interest in using multicharged ions, to reach higher energies faster or decrease the size of the accelerator.
  • Ion source performance is limited for the production of very high charge state ions. This is due to at least two competitive and limiting physical phenomena, the very high ionization potentials of the most bound electrons on the one hand, and the electron capture by ions formed at low speed in the plasma of the source of somewhere else.
  • a peeler is thus placed at the output of a first accelerator where the state of charge of ions is Ql. After passing through the peeler, the state of charge of the ions is modified at Q2, for the purpose of injecting the particles into a post-accelerator.
  • the final energy of the particles expressed in MeV / nucleon for ions (MeV / u), depends on the electric charge state Q. For cyclotrons, this final energy is proportional to (Q / A) ) 2 , with the mass of ions.
  • the particle accelerator presented in the Tarantin article includes a peeler located at an accelerator space and a conventional acceleration electrode 180 degrees of constant opening, allowing the acceleration of ions on odd harmonics, including of rank 3, 5 for the acceleration before peeling, and of rank 1 for the acceleration after peeling.
  • the method presented in the Bennett paper proposes to go through an intermediate state of charge to allow the refocusing of the most peeled ion beam, using two peelers, which gives a very low efficiency.
  • the invention aims to meet the need above, and it achieves it through a particle accelerator, comprising:
  • At least one accelerating cavity having a plurality of accelerators and configured field for accelerating charged ions to a first state of electrical charge Q l on a first harmonic h 1 of the FM frequency (high-frequency) of said accelerating cavity , and
  • a peeler located outside the said accelerator spaces and configured to modify the state of electric charge of the accelerated ions passing through the peeler until reaching a second state of electric charge Q2,
  • the accelerating cavity being configured to accelerate the ions, after their passage in the peeler, on a second harmonic of rank h2 of the frequency H F of said accelerating cavity.
  • the subject of the invention is also a method for accelerating particles in a particle accelerator comprising at least one accelerating cavity, presenting a set of accelerator spaces, and a peeler located outside these, in which process:
  • the ions, after passing through the peeler, are accelerated on a second harmonic of rank h 2 of the frequency H F of said accelerating cavity.
  • a particle accelerator according to the invention has many advantages.
  • the invention makes it possible in particular to accelerate light ions of Helium, Carbon, Oxygen or Neon to an energy higher than 400 MeV / u, in particular for medical applications in radiotherapy, in a range of energy between 200 and 450 MeV / u.
  • ions whose Q / A ratio is equal to about 0.5, can be accelerated to a very high energy after peeling by the same accelerating cavity.
  • the particle accelerator according to the invention may comprise a single internal peeler disposed outside the accelerator spaces, deteriorating less rapidly because being less subject to the influences of the electric fields HF traversing said spaces.
  • the invention allows the use of thin peelers, adapted to light ions.
  • the ions used in the particle accelerator according to the invention are multicharged, that is to say are ions obtained by tearing out many electrons at one atom, and light ones, in particular with a lower mass number A or equal to 20, being in particular Helium, Carbon or Oxygen ions, or even Neon, preferably carbon.
  • the particle accelerator according to the invention advantageously comprises deu accelerating electrodes spatially modulated in such a way that they have an asymmetric shape, allowing movement of the particle trajectories of the centers of curvature.
  • the acceleration electrodes may be unsymmetrical with respect to each other.
  • the acceleration electrodes may each have at least one elbow disposed on one side of the central region of the accelerator, and at least one elbow disposed on the other side. Acceleration electrodes may be substantially straight to larger radius.
  • the angle of aperture of the electrodes measured in the median plane of acceleration, can be understood, within 30 °, between 45 ° and 135 ° in the central region of the accelerator, and can be close to 30 e close to 90 ° to larger radius.
  • the peeler may be located at a radius Rs of the magnetic center C of the accelerator, corresponding to its axis Z.
  • the peeler may be located at an accelerating electrode, particularly in the case where the angle is substantially equal to 135 °, or outside the electrodes. acceleration, between two electrodes, especially in the case where the angle is substantially equal to 45 °.
  • a mobile stand and a cane can be used to position the peeler in the accelerator.
  • the accelerated ions on the first harmonic h 1 of the RF frequency of the accelerating cavity can make a single pass through the peeler Q2 to reach the state of charge.
  • the accelerated ions on the first harmonic h 1 of the RF frequency of the accelerating cavity perform several passes through the peeler to reach the state of charge Q2.
  • the state of charge of the ions can be progressively increased, during the passages through the peeler.
  • the ions are thus advantageously partially or completely peeled from their peripheral electrons, after passage (s) in the peeler.
  • the harmonics of the frequency H F of the accelerating cavity used to accelerate the ions before and after passing through the peeler are advantageously harmonics of even ranks.
  • the first harmonic h 1 of the RF frequency of the accelerating cavity may be the harmonic of rank 4, and the second harmonic h 2 of the frequency Fi F of the accelerating cavity may be the 2nd harmonic.
  • the invention allows two successive accelerations of the ions with the same accelerating cavity, and the following relation is advantageously respected to capture the ions in the two modes of acceleration:
  • the accelerating cavity is advantageously configured to accelerate, on the harmonic of rank h2, the ions up to the beam extraction radius of the accelerator, after their passage in the peeler.
  • Ions can be produced Ql charge state by an internal source in the accelerator, injecting the ions in the median plane of acceleration of the accelerator.
  • the source is advantageously disposed in central region of the accelerator, so low energy.
  • the source of particles used can be a source called Penning Ion Gauge
  • ions are produced in the state of charge Q l by a source external to the accelerator, injecting the ions in the median plane of acceleration of the accelerator, in particular by means of an axial injection .
  • the accelerator according to the invention may be at a fixed frequency, in particular of the isochronous cyclotron type.
  • the accelerator according to the invention is preferably variable frequency, preferably being a synchro-cyclotron, of conventional or semi-isochronous type, that is to say with a focus partially obtained with magnetic sectors.
  • the synchro-cyclotron is preferably superconducting.
  • the magnetic field is preferably between 4T and 10T, depending on the technology of the superconducting cable, namely Nobium-Titanium to 5T, Nobium-Etain beyond.
  • the synchro-cyclotron is a special case of cyclotron with frequency modulation co (t) in time.
  • the mathematical space ( ⁇ , ⁇ ') thus defined is called “synchrotron space", or longitudinal, and the stable phase oscillations are said These are translated into radial oscillations in energy around the synchronous phase (ps).
  • the particle trajectory is accelerated for ⁇ ⁇ / 2, then decelerated to a point where the energy and the radius of curvature of the the trajectory passes through a minimum
  • the particle is said to be "captured” if at this point it does not return to the cyclotron injection system
  • the capture time interval depends on the general parameters of the synchro-cyclotron and the initial conditions in phase ⁇ .
  • the particles perform radial oscillations of a given emittance beam.
  • These oscillations are translated by precession movements of the centers of curvature of the trajectories of the particles around the magnetic center C of the accelerator, the displacements of these centers of curvature during the crossing of an accelerator space being always perpendicular to the direction of the electric field running through it. The period of this precession is dependent on the properties of the magnetic field, that is to say the wave number vr.
  • this oscillation can correspond to about 100 turns of the particles in the accelerator.
  • synchrotron oscillations In the horizontal plane, the particles perform phase oscillations, referred to as synchrotron oscillations, which are much slower. In known synchro-cyclotrons, these oscillations are carried out in several hundred turns of the particles in the accelerator.
  • FIG. 1 illustrates the trajectories of particles in a synchro-cyclotron 100 according to the prior art, called "ideal", all the electrical symmetries of the acceleration electrodes 101, 102 being respected.
  • a synchro-cyclotron accelerating the particles on a harmonic of rank h of the frequency HF the accelerating cavity, the theoretical geometric opening of the acceleration electrode corresponding to this cavity is k / h, with k odd, equal
  • ions whose ratio Q / A is approximately equal to 0.5, two cavities in phase, or four accelerator spaces.
  • electrical 105, 106, 107, 108 may be used.
  • the normal component introduces an angular slip dy, visible in Figure 2, centers of curvature of the trajectories.
  • the centers of curvature perform a rotational movement which is added to the betatronic movement of the centers of curvature described above.
  • the acceleration of the ions before peeling on the harmonic of rank hl advantageously decentrates the centers of curvature of the trajectories of the ions, away from the magnetic center C. This makes it possible to ensure that after peeling, the movements of said centers of curvature avoid the particle injection device, preferably located in the central region of the accelerator.
  • the acceleration of the ions on the harmonic of rank h2 makes it possible to obtain movements of the centers of curvature which precede around the magnetic center C with a residual amplitude making it possible to obtain acceptable yields for the extraction of the ions at high energy.
  • the geometry of the accelerating spaces is decisive for the control of the movements of the centers of curvature, especially at low energy, where the effects of the electric fields are preponderant compared to those of the magnetic field. This is preferably obtained by shifting the energy gains in the accelerator spaces, that is to say by making the asymmetric accelerating electrodes and thus the angular openings of the accelerator spaces.
  • the particle accelerator according to the invention may comprise at least one correction coil for controlling the centering of the centers of curvature of the ion trajectories, better at least two coils, the coil or coils producing a local disturbance of the guiding magnetic field. in the vicinity of the peeler.
  • the correction coil or coils are advantageously placed between the accelerator spaces.
  • the acceleration on the first harmonic of rank h I may have the consequence of displacing the centers of curvature of the trajectories of the ions in the direction opposite to the peeler.
  • the centers of curvature of the trajectories of the peeled particles not being centered, after peeling, these centers initiate a circular motion.
  • the geometry of the electrodes is advantageously chosen to limit the amplitude of this circular movement as soon as it is initiated.
  • the index n - (dB / B) / (dR / R) (B being the magnetic field, R the radius) of the magnetic field to be low, the latter to be sufficiently flat in the center of the accelerator, the variation of the fast F RF frequency, and the RF voltage not too high.
  • the invention further relates, in another of its aspects, the use in hadrontherapy accelerated ions by a particle accelerator according to the invention, and a hadrontherapy installation using such an accelerator.
  • FIG. 1 previously described, illustrates the trajectories of the particles in an accelerator according to the prior art
  • FIG. 2 previously described, represents the movements of the center of curvature of a particle trajectory during the crossing of an accelerator space in an accelerator according to the prior art
  • FIG. 3 schematically represents an example of geometry of the electrodes of a particle accelerator according to the invention, which corresponds to section line B-B of FIG. 3A,
  • FIG. 3A is a schematic and partial section along A-A of FIG.
  • FIGS. 4 to 8 represent different stages in the evolution of the accelerated ion trajectories in the accelerator of FIG. 3 and the movement of their centers of curvature
  • FIG. 9 is a view similar to FIG. 3 of an alternative embodiment of a particle accelerator according to the invention.
  • FIG. 10 is a simulation illustrating the accelerated ion trajectories in the accelerator of FIG. 9, and
  • FIG. 11 shows the distribution between the different charge states obtained on peeling, as a function of the energy per nucleon of a C 3+ incident ion.
  • the particle accelerator 1 according to the invention is a synchro-cyclotron, intended, in this example, for the acceleration of light ions. multicharged such as He + , C 3+ , 0 4+ and Ne 5+ , but the invention is not limited to a particular type of accelerator or a particular type of ion at the inlet of the accelerator or exit from it.
  • the accelerator 1 according to the invention can be produced according to a magnetic configuration with symmetry of revolution, being for example a conventional synchro-cyclotron or a cyclotron, or a periodic magnetic configuration with sectors, being for example a semi-cyclotron semi-cyclotron. isochronous or an isochronous cyclotron.
  • the ions, charged to a first state of charge Ql, are injected into the median accelerator plane M of the accelerator, after being produced by a source internal or external to the accelerator 1, not shown.
  • the acceleration electrodes 1 1, 12 are advantageously spatially modulated.
  • the edges of the electrode 1 1 have in this example, two bends 1 l a. 1 lb on the side of the accelerator space 15, and two elbows 11c, l ld on the accelerator space side 18.
  • the elbow l ia is concave outwardly of the electrode and the bend 11b is convex.
  • the elbow 1 is convex outward and the elbow l ld concave.
  • the edges of the electrode 12 have two elbows 12a, 12b on the side of the accelerator space 16, and three successive elbows 12c, 12d, 12e on the accelerator space side 17.
  • the elbow 12a is concave and the elbow 12b is convex.
  • the elbow 12c is concave, the elbow 12d convex and the 12th concave elbow.
  • the elbows 11c and 12c are closer to the Z axis than the elbows 11b and 12b.
  • the edges of the acceleration electrodes 11, 12 are substantially rectiiigne to larger radius, after the elbows 11a, 12a ldd and 12e.
  • the peeler 20 is in the example at a distance from the Z axis between the distances to the Z axis of the elbows 11c and l ld.
  • Elbows 11b and 12b, 11c and 12d lead to a substantially right angle change of orientation. It can be seen that the angular deviation around the Z axis between the accelerator spaces 1 7 and 18 tends to increase when the radius increases, as well as for the accelerator spaces 15 and 16.
  • the elbow 1d is at an intermediate ordinate between those elbows 12c and 12d.
  • the ordinates of the elbows 12a and 12d are substantially opposite.
  • the angle between the substantially rectiiigne portions beyond elbows 11a and 12a is substantially 90 °. It is the same for substantially rectiiignes portions beyond elbows 1 ld and 12e.
  • the accelerating cavity 13 is configured to accelerate the ions to a first harmonic hl its RF frequency, for example the harmonic of rank 4.
  • the acceleration on a first row of harmonic hla result of moving the ion trajectory of the centers of curvature in the direction opposite to the peeler 20.
  • the '+' and '- represent the peaks of the oscillation of the voltage HF feeding the accelerating cavity 13.
  • the ions are advantageously out of phase with the radio frequency wave at the passages of the first and second accelerator spaces 15, 16, and are in phase during the passages third and fourth accelerator spaces 17, 18.
  • the peeler 20 is configured to change the state of charge of the accelerated ions passing through it until a second state of electric charge Q2 is reached.
  • the C 3+ ions are peeled until they become C 6+ ions.
  • the ions can perform one or more passes through the peeler 20. As can be seen in FIG. 6, considering all the particles accelerated during the capture, a dispersion of the centers of curvature is obtained on the impacts on the peeler 20.
  • the last ion trajectory before passing through the peeler 20 is denoted 'T a ', the path of the ions after peeling is noted 'T e '.
  • the geometry of the third and fourth accelerator spaces 17, 18 is advantageously chosen to limit the amplitude of this circular motion as soon as it is initiated. As can be seen in FIG. 8, at greater radius, the accelerating spaces 15, 16, 17 and 18 finding a symmetry, the movement of the centers of curvature is partially damped.
  • FIG. 9 An accelerator variant 1 of particles according to the invention is shown in FIG. 9.
  • the electrode 1 1 has, in this example, on its edge two bends l ia, 11b on either side of the central region of the accelerator 1 and the electrode 12 has on its edge two successive bends 12a, 12b of the side of the space accelerator 16, the second bend 12b being of smaller opening than the first 12a, and a single bend 12c on the side of the accelerator space 17.
  • the elbow l ia is outwardly concave, as well as the elbow 1 1 b.
  • the elbow 12a is concave and the elbow 12b convex.
  • the elbow 12c is concave.
  • the accelerator 1 comprises two correction coils 30 and 31 for controlling the centering of the centers of curvature of the trajectories of the ions. These coils have a relatively small abscissa, smaller in absolute value than that of the elbow
  • the ordinate of the coils is in absolute value, superior to that of the elbows.
  • the centers of curvature of the trajectories of the ions move in the direction opposite to the peeler 20, taking into account the shape given to the electrodes.
  • FIG. 11 represents the distribution of the population of carbon ions as a function of the energy per nucleon of the incident C 3+ ions, in a particle accelerator 1 according to the invention, obtained after passing through a peeler 20 comprising a carbon sheet, for example with a thickness of between 5 ⁇ g / cm 2 and 20 ⁇ g / cm 2 , especially equal to 10 ⁇ g / cm 2 .
  • the curve Pi concerns the C 3+ ions, the P 2 curve the C 4+ ions, the P 3 curve, the C 5+ ions, and the P 4 C 6+ ions curve. These yield curves make it possible to define the energy obtained and therefore the position of the peeler 20 according to the desired level of energy.
  • peeling yields at about 1 MeV / u, or about 10% are suitable for acceleration in a synchro-cyclotron at several hundred MeV / u of C 6+ ions produced from C 3+ ions from an internal PIG source, given the intensity of the beam required for treatment.
  • peeling yield is increased by the fact that the ions preferably pass several times in the peeler 20.
  • the injection of the particles to be accelerated in an accelerator 1 according to the invention can be carried out in various ways.
  • This has the advantage of being able to increase the accelerated intensity, to be able to increase the lifetime of the particle sources for a given accelerated intensity, to be able to keep a source in reserve instantly available in case of problems on the other, or again to be able to use separate gases in the sources and thus avoid purging them.
  • the number of revolutions made by the particles in the accelerator is, for example, between 50,000 and a few hundred thousand. of turns.
  • the invention is not limited to the acceleration of light ions and applies to the acceleration of other heavier ions, for example argon ions. Accelerated particles using an accelerator according to the invention can be used in many applications, for example for the treatment of tumors, especially by high energy hadrontherapy.

Landscapes

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Abstract

Accélérateur de particules (1) comportant : - au moins une cavité accélératrice (13) présentant un ensemble d'espaces accélérateurs (15, 16, 17, 18) et configurée pour accélérer des ions chargés à un premier état de charge électrique (Q1) sur un premier harmonique de rang h1 de la fréquence HF de ladite cavité accélératrice (13), et - un éplucheur (20) situé en dehors desdits espaces accélérateurs (15, 16, 17, 18) et configuré pour modifier l'état de charge électrique des ions accélérés passant à travers l'éplucheur (20) jusqu'à atteindre un deuxième état de charge électrique (Q2), la cavité accélératrice (13) étant configurée pour accélérer les ions, après leur passage dans l'éplucheur (20), sur un deuxième harmonique de rang h2 de la fréquence HF de ladite cavité accélératrice (13).

Description

ACCELERATEUR DE PARTICULES A EPLUCHEUR INTEGRE
Domaine technique
La présente invention concerne les accélérateurs de particules, et plus particulièrement les cyclotrons. Ces derniers constituent une solution intéressante pour accélérer des particules à de hautes énergies, pour diverses applications, médicales, industrielles ou dans le domaine de la physique nucléaire.
Les cyclotrons sont utilisés avec des sources d'ions qui produisent les particules à accélérer. Il peut y avoir un intérêt à utiliser des ions multichargés, pour atteindre plus rapidement des énergies élevées ou diminuer la taille de l'accélérateur.
Arrière-plan
Les performances des sources d'ions sont limitées pour la production d'ions à états de charge très élevés. Ceci est dû à au moins deux phénomène physique concurrentiels et limitatifs, les potentiels d'ionisation très élevés des électrons les plus liés d'une part, et la capture des électrons par les ions formés à basse vitesse dans le plasma de la source d'autre part.
Pour atteindre des hautes énergies, il est connu d'éplucher les ions pour les débarrasser de leurs électrons afin d'augmenter leur état de charge Q. Un éplucheur est ainsi placé à la sortie d'un premier accélérateur où l'état de charge des ions est Ql . Après passage dans l'éplucheur, l'état de charge des ions est modifié à Q2, en vue de l'injection des particules dans un post-accélérateur.
Ces deux étages accélérateurs sont, dans les solutions connues, deux machines distinctes. Par exemple, sont utilisées une machine électrostatique, notamment de type TANDEM, suivie d'un cyclotron isochrone à fréquence fixe, ou un accélérateur linéaire, suivi d'une post-accélération utilisant un synchrotron, comme dans beaucoup d'installations d'hadronthérapie de haute énergie utilisant des ions légers.
Dans les deux cas, l'énergie finale des particules, exprimée en MeV/nucléon pour les ions (MeV/u), dépend de l'état de charge électrique Q. Pour les cyclotrons, cette énergie finale est proportionnelle à (Q/A) 2, avec A la masse des ions.
L'épluchage dans un accélérateur à un étage a été décrit par L. Alvarez, dans le journal Physical Review, 58, 192, 1940. Des ions de carbone sont accélérés et épluchés par le gaz résiduel à l'intérieur du cyclotron, permettant d'extraire quelques ions à haute énergie. L'épluchage n'est pas localisé et les rendements sont très faibles. Les articles de J.R.J. Bennett, dans le journal Particle Accelerators, 1972, Vol.3, pp 43-48, et de N.I. Tarentin, dans le rapport JINR, Dubna, Report R9-4555,1969, se fondent sur cette méthode et présentent l'accélération d'ions lourds et très lourds en utilisant un rapport impair entre les états de charge avant et après passage dans l'éplucheur.
L'accélérateur de particules présenté dans l'article de Tarantin comporte un éplucheur situé au niveau d'un espace accélérateur et une électrode d'accélération classique de 180 degrés d'ouverture constante, autorisant l'accélération des ions sur des harmoniques impairs, notamment de rang 3, 5 pour l'accélération avant épluchage, et de rang 1 pour l'accélération après épluchage.
La méthode présentée dans l'article de Bennett propose de passer par un état de charge intermédiaire pour permettre le recentrage du faisceau des ions les plus épluchés, en utilisant deux éplucheurs, ce qui donne un rendement très faible.
Les méthodes ci-dessus ont des limitations qui n'ont pas permis à ce jour la réalisation d'un accélérateur d'ions multichargés à un seul étage, notamment pour des applications médicales et industrielles. Il existe ainsi un besoin pour remédier à cela.
Résumé
L'invention vise à répondre au besoin ci-dessus, et elle y parvient grâce à un accélérateur de particules, comportant :
- au moins une cavité accélératrice présentant un ensemble d'espaces accélérateurs et configurée pour accélérer des ions chargés à un premier état de charge électrique Q l sur un premier harmonique de rang h 1 de la fréquence MF (haute-fréquence) de ladite cavité accélératrice, et
- un éplucheur situé en dehors desdits espaces accélérateurs et configuré pour modifier l'état de charge électrique des ions accélérés passant à travers l'éplucheur jusqu'à atteindre un deuxième état de charge électrique Q2,
la cavité accélératrice étant configurée pour accélérer les ions, après leur passage dans l'éplucheur, sur un deu ième harmonique de rang h2 de la fréquence H F de ladite cavité accélératrice.
L'invention a encore pour objet un procédé d'accélération de particules dans un accélérateur de particules comportant au moins une cavité accélératrice, présentant un ensemble d'espaces accélérateurs, et un éplucheur situé en dehors de ces derniers, procédé dans lequel :
- des ions chargés à un premier état de charge électrique Q l sont accélérés sur un premier harmonique de rang h 1 de la fréquence H F de ladite cavité accélératrice,
- les ions accélérés passent à travers l'éplucheur jusqu'à atteindre un deuxième état de charge électrique Q2, et
- les ions, après leur passage dans l'éplucheur, sont accélérés sur un deuxième harmonique de rang h 2 de la fréquence H F de ladite cavité accélératrice.
La fréquence FRF haute- fréquence (HF) de la cavité accélératrice, encore appelée radio fréquence, est définie par la relation suivante : FHF = h.Frev où h désigne l'harmonique de rang h et Frev la fréquence de rotation des particules autour de l'axe central Z de l'accélérateur.
Un accélérateur de particules selon l'invention présente de nombreux avantages.
Tout d'abord, l'invention permet d'atteindre des niveaux d'énergie élevés en utilisant un unique étage d'accélération, c'est-à-dire la même cavité accélératrice radiofréquence, grâce à une région centrale autorisant l'accélération des particules successivement sous deux régimes harmoniques différents de la fréquence HF (FHF =hl .Fpi=h2.Fp2, Fpi et Fp2 étant les fréquences de révolution des ions avant et après épluchage).
L'invention permet notamment d'accélérer des ions légers d'Hélium, de Carbone, d'Oxygène ou de Néon jusqu'à une énergie supérieure à 400 MeV/u, notamment pour des applications médicales en radiothérapie, dans une gamme d'énergie entre 200 et 450 MeV/u.
Grâce à l'invention, des ions, dont le rapport Q/A est égal environ à 0.5, peuvent être accélérés à une énergie très élevée après épluchage par la même cavité accélératrice. Dans l'expression Q/A, Q et A sont exprimées en unités relatives respectivement de charge électrique et de masse, par exemple Q=6, A=12 pour un ion de Carbone.
L'accélérateur de particules selon l'invention peut comporter un unique éplucheur interne, disposé en dehors des espaces accélérateurs, se détériorant moins vite car étant moins soumis aux influences des champs électriques HF parcourant lesdits espaces. L'invention permet d'utiliser des éplucheurs peu épais, adaptés à des ions légers.
De préférence, les ions utilisés dans l'accélérateur de particules selon l'invention sont multichargés, c'est-à-dire sont des ions obtenus par arrachement de nombreux électrons à un atome, et légers, notamment de nombre de masse A inférieur ou égal à 20, étant notamment des ions d'Hélium, de Carbone ou d'Oxygène, voire de Néon, de préférence de Carbone.
L'accélérateur de particules selon l'invention comporte avantageusement deu électrodes d'accélération modulées spatialement, de telle sorte qu'elles présentent une forme dissymétrique, permettant un déplacement des centres de courbures des trajectoires des particules. Les électrodes d'accélération peuvent être non symétriques l'une par rapport à l'autre.
Les électrodes d'accélération peuvent présenter chacune au moins un coude disposé d'un côté de la région centrale de l'accélérateur, et au moins un coude disposé de l'autre côté. Les électrodes d'accélération peuvent être sensiblement rectilignes à plus grand rayon.
L'angle d'ouverture des électrodes, mesuré dans le plan médian d'accélération, peut être compris, à 30° près, entre 45° et 135° en région centrale de l'accélérateur, et peut être voisin à 30e près de 90° à plus grand rayon.
L'éplucheur peut être situé à un rayon Rs du centre magnétique C de l'accélérateur, correspondant à son axe Z.
Suivant l'angle d'ouverture des électrodes en région centrale, l'éplucheur peut être situé au niveau d'une électrode d'accélération, notamment dans le cas où l'angle est sensiblement égal à 135°, ou en dehors des électrodes d'accélération, entre deux électrodes, notamment dans le cas où l'angle est sensiblement égal à 45°.
Un support mobile et une canne peuvent être utilisés pour positionner l'éplucheur dans l'accélérateur.
Les ions accélérés sur le premier harmonique de rang h 1 de la fréquence HF de la cavité accélératrice peuvent effectuer un seul passage à travers l'éplucheur pour atteindre l'état de charge Q2.
Dans une variante, les ions accélérés sur le premier harmonique h 1 de la fréquence HF de la cavité accélératrice effectuent plusieurs passages à travers l'éplucheur pour atteindre l'état de charge Q2. Pour passer de Ql à Q2, l'état de charge des ions peut être progressivement augmenté, au cours des passages à travers l'éplucheur.
Les ions sont ainsi avantageusement partiellement ou totalement épluchés de leurs électrons périphériques, après passage(s) dans l'éplucheur.
Les harmoniques de la fréquence H F de la cavité accélératrice utilisés pour accélérer les ions avant et après passage à travers l'éplucheur sont avantageusement des harmoniques de rangs pairs.
Le premier harmonique de rang h 1 de la fréquence H F de la cavité accélératrice peut être l 'harmonique de rang 4, et le deuxième harmonique de rang h 2 de la fréquence Fi F de la cavité accélératrice peut être l 'harmonique de rang 2.
L'invention permet deux accélérations successives des ions avec la même cavité accélératrice, et la relation suivante est avantageusement respectée pour capturer les ions dans les deux modes d'accélération :
hl .Ql=h2.Q2.
La cavité accélératrice est avantageusement configurée pour accélérer, sur l'harmonique de rang h2, les ions jusqu'au rayon d'extraction du faisceau de l'accélérateur, après leur passage dans l'éplucheur.
Les ions peuvent être produits à l'état de charge Ql par une source interne à l'accélérateur, injectant les ions dans le plan médian d'accélération de l'accélérateur. Dans ce cas, la source est avantageusement disposée en région centrale de l'accélérateur, donc à basse énergie. La source de particules utilisée peut être une source dite Penning Ion Gauge
(PIG).
Dans une variante, les ions sont produits à l'état de charge Q l par une source externe à l'accélérateur, injectant les ions dans le plan médian d'accélération de l'accélérateur, notamment par l'intermédiaire d'une injection axiale.
L'accélérateur selon l'invention peut être à fréquence fixe, notamment du type cyclotron isochrone. L'accélérateur selon l'invention est de préférence à fréquence variable, étant de préférence un synchro-cyclotron, de type classique ou semi-isochrone, c'est-à-dire avec une focalisation partiellement obtenue avec des secteurs magnétiques. Le synchro-cyclotron est de préférence supraconducteur. Le champ magnétique est de préférence compris entre 4T et 10T, en fonction de la technologie du câble supraconducteur, à savoir Nobium-Titane vers 5T, Nobium- Etain au-delà.
Le synchro-cyclotron est un cas particulier de cyclotron à modulation de fréquence co(t) dans le temps. La particule traverse à chaque tour un nombre pair d'espaces accélérateurs, ou « gaps » en anglais, où règne le champ électrique HF E=E(r,9,z).cos(co(t)t+(p0), symétrique par rapport au plan médian magnétique du cyclotron. On définit par φ la phase de passage dans l'espace accélérateur correspondant à un gain d'énergie V.cos φ, où V est la tension maximale alimentant la cavité accélératrice de fréquence HF à laquelle appartient l'espace accélérateur considéré.
La phase φ effectue de larges oscillations stables autour d'une phase dite synchrone (ps, à l'intérieur d'une zone séparatrice, définissant la limite de stabilité. C'est le principe de stabilité de phase qui permet d'accélérer un paquet de particules de conditions initiales φο et φ'0 = (d(p/dt)0. L'espace mathématique (φ,φ') ainsi défini est appelé « espace synchrotronique », ou longitudinal, et les oscillations de phase stables sont dites synchrotroniques. Ces dernières se traduisent par des oscillations radiales en énergie autour de la phase synchrone (ps. La trajectoire de particules est accélérée pour φ < π/2, puis décélérée jusqu'à un point où l'énergie et le rayon de courbure de la trajectoire passent par un minimum. La particule est dite « capturée » si en ce point elle ne revient pas sur le système d'injection du cyclotron. L'intervalle de temps de capture dépend des paramètres généraux du synchro-cyclotron et des conditions initiales en phase φο.
Dans le plan horizontal, les particules effectuent des oscillations radiales d'un faisceau d'émittance donnée. Ces oscillations, dites « bétatroniques radiales », sont de fréquence élevée et sont caractérisées par le nombre d'onde vr= v( 1 -n), avec n l'indice du champ magnétique du cyclotron. Ces oscillations se traduisent par des mouvements de précession des centres de courbure des trajectoires des particules autour du centre magnétique C de l'accélérateur, les déplacements de ces centres de courbure lors de la traversée d'un espace accélérateur étant toujours perpendiculaires à la direction du champ électrique le parcourant. La période de cette précession est dépendante des propriétés du champ magnétique, c'est-à-dire du nombre d'onde vr. Lorsque vr est proche de 1, une révolution des centres de courbures autour du centre magnétique C s'effectue environ en 2/n tours. Par exemple, dans une région centrale où l'indice n est très faible, cette oscillation peut correspondre à environ 100 tours des particules dans l'accélérateur.
Dans le plan horizontal, les particules effectuent des oscillations de phase, dites synchrotroniques, beaucoup plus lentes. Dans les synchro-cyclotrons connus, ces oscillations s'effectuent en plusieurs centaines de tours des particules dans l'accélérateur.
Dans le plan vertical, les particules effectuent des oscillations axiales de fréquence élevée, dites « bétatroniques axiales », caractérisées par le nombre d'onde vz=V (n).
La figure 1 illustre les trajectoires de particules dans un synchro-cyclotron 100 selon l'art antérieur, dit « idéal », toutes les symétries électriques des électrodes d'accélération 101, 102 étant respectées. Pour un tel synchro-cyclotron, accélérant les particules sur un harmonique de rang h de la fréquence HF la cavité accélératrice, l'ouverture géométrique théorique de l'électrode d'accélération correspondant à cette cavité est k /h, avec k impair, égal à 1, 3, etc.. Par exemple, pour un tel synchro-cyclotron accélérant, sur l'harmonique de rang 2, des ions dont le rapport Q/A est environ égal à 0.5, deux cavités en phase, soit quatre espaces accélérateurs électriques 105, 106, 107, 108, peuvent être utilisées. Ces cavités sont symétriques par rapport au centre C de l'accélérateur avec des ouvertures angulaires a = kn/ et β = kn/ de 135°. Les déplacements « idéaux » des centres de courbure des trajectoires des particules autour du centre magnétique C, dus aux gains d'énergie dans les espaces accélérateurs 105, 106, 107, 108, sont des quadrilatères centrés. Ces mouvements horizontaux des centres de courbure sont affectés par les oscillations décrites précédemment.
La composante Et du champ électrique E de l'accélérateur, tangentielle à la trajectoire des particules, représentée à la figure 2, contribue essentiellement à leur accélération, induisant un déplacement des centres de courbure normal à E. La composante normale En introduit un glissement angulaire dy, visible à la figure 2, des centres de courbure des trajectoires. Ce glissement angulaire dy introduit un glissement de la phase électrique d(p=-h.dy, donné en approximation non relativiste par la relation d(p=- h.dT/2T tan(Et,E) où h est le rang de l'harmonique de la fréquence HF par rapport à la fréquence de rotation de la particule et dT le gain d'énergie cinétique T sur une certaine longueur de la trajectoire des particules. Outre ce glissement angulaire de la phase, les centres de courbure effectuent un mouvement de rotation qui s'ajoute au mouvement bétatronique des centres de courbure décrits précédemment.
Dans l'accélérateur selon l'invention, l'accélération des ions avant épluchage sur l'harmonique de rang hl décentre avantageusement les centres de courbure des trajectoires des ions, les éloignant du centre magnétique C. Ceci permet de faire en sorte qu'après épluchage, les mouvements desdits centres de courbure évitent le dispositif d'injection des particules, situé de préférence dans la région centrale de l'accélérateur.
Après épluchage, l'accélération des ions sur l'harmonique de rang h2 permet d'obtenir des mouvements des centres de courbure qui précessionnent autour du centre magnétique C avec une amplitude résiduelle permettant d'obtenir des rendements acceptables pour l'extraction des ions à haute énergie.
La géométrie des espaces accélérateurs est déterminante pour la maîtrise des mouvements des centres de courbure, surtout à basse énergie, où les effets des champs électriques sont prépondérants par rapport à ceux du champ magnétique. Cela est obtenu de préférence en décalant les gains d'énergie dans les espaces accélérateurs, c'est-à-dire en rendant dissymétriques les électrodes d'accélération et ainsi les ouvertures angulaires des espaces accélérateurs.
L'accélérateur de particules selon l'invention peut comporter au moins une bobine de correction pour le contrôle du centrage des centres de courbure des trajectoires des ions, mieux au moins deux bobines, la ou les bobines produisant une perturbation locale du champ magnétique de guidage dans le voisinage de l'éplucheur. La ou les bobines de correction sont avantageusement placées entre les espaces accélérateurs.
L'accélération sur le premier harmonique de rang h I peut avoir pour conséquence de déplacer les centres de courbure des trajectoires des ions dans la direction opposée à l'éplucheur. Les centres de courbure des trajectoires des particules épluchées n'étant pas centrés, après épluchage, ces centres amorcent un mouvement circulaire. La géométrie des électrodes est avantageusement choisie pour limiter l'amplitude de ce mouvement circulaire dès son amorce.
Atteindre une énergie plus élevée à l'éplucheur permet d'avoir un bon rendement d'épluchage des électrons. Pour y parvenir, dans le cas du synchro-cyclotron, il existe avantageusement un compromis à respecter entre l'énergie à l'éplucheur et le temps de capture de la machine, l'indice n = -(dB/B)/(dR/R) (B étant le champ magnétique, R le rayon) du champ magnétique devant être faible, ce dernier devant être suffisamment plat au centre de l'accélérateur, la variation de la fréquence FRF rapide, et la tension RF pas trop élevée.
L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, l'utilisation en hadronthérapie d'ions accélérés par un accélérateur de particules selon l'invention, et une installation d' hadronthérapie utilisant un tel accélérateur.
Description détaillée
L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel :
la figure 1 , précédemment décrite, illustre les trajectoires des particules dans un accélérateur selon l'art antérieur,
la figure 2, précédemment décrite, représente les mouvements du centre de courbure d'une trajectoire de particules lors de la traversée d'un espace accélérateur dans un accélérateur selon l'art antérieur,
la figure 3 représente, de façon schématique, un exemple de géométrie des électrodes d'un accélérateur de particules selon l'invention, qui correspond au trait de coupe B-B de la figure 3A,
- la figure 3 A est une coupe schématique et partielle selon A-A de la figure
3,
les figures 4 à 8 représentent différentes étapes dans l'évolution des trajectoires d'ions accélérés dans l'accélérateur de la figure 3 et le mouvement de leurs centres de courbures,
- la figure 9 est une vue analogue à la figure 3 d'une variante de réalisation d'un accélérateur de particules selon l'invention,
la figure 10 est une simulation illustrant les trajectoires d'ions accélérés dans l'accélérateur de la figure 9, et
la figure 1 1 représente la répartition entre les différents états de charges obtenue à l'épluchage, en fonction de l'énergie par nucléon d'un ion incident C3+.
L'accélérateur de particules 1 conforme à l'invention, représenté à la figure 3, est un synchro-cyclotron, destiné, dans l'exemple considéré, à l'accélération d'ions légers multichargés tels que He+, C3+, 04+ et Ne5+, mais l'invention n'est pas limitée à un type d'accélérateur particulier ni à un type d'ions particulier en entrée de l'accélérateur ou en sortie de celui-ci.
L'accélérateur 1 selon l'invention peut être réalisé selon une configuration magnétique à symétrie de révolution, étant par exemple un synchro-cyclotron ou un cyclotron classique, ou une configuration magnétique périodique avec des secteurs, étant par exemple un synchro-cyclotron semi-isochrone ou un cyclotron isochrone.
Comme visible à la figure 3, l'accélérateur de particules 1 selon l'invention comporte deux électrodes d'accélération 11 et 12, encore appelées « dees » en anglais, reliées à une source de tension HF et formées par exemple par des plaques agencées de part et d'autre du plan médian d'accélération M de l'accélérateur, correspondant au plan (x, y, z = 0) de la figure 3. Des espaces accélérateurs 15, 16, 17 et 18 sont définis entre ces électrodes 1 1, 12 et un ensemble de plaques conductrices 21 , 22 reliées à la masse, appelé « liner » en anglais. L'ensemble de ces éléments forment deux cavités accélératrices 13, 14, pouvant être couplées, la cavité 13 étant représentée à la figure 3A. Dans l'exemple décrit, un unique éplucheur interne 20 est en outre présent en dehors des espaces accélérateurs 15, 16, 17 et 18.
Les ions, chargés à un premier état de charge Ql, sont injectés dans le plan médian d'accélération M de l'accélérateur, après avoir été produits par une source interne ou externe à l'accélérateur 1, non représentée.
Comme visible notamment à la figure 3, les électrodes d'accélération 1 1 , 12 sont avantageusement modulées spatialement. Chaque électrode d'accélération est avantageusement non symétrique par rapport à un plan médian perpendiculaire au plan médian d'accélération M de l'accélérateur 1, passant par y = 0, comme visible à la figure 2.
Les bords de l'électrode 1 1 présentent dans cet exemple, deux coudes 1 l a. 1 lb du côté de l'espace accélérateur 15, et deux coudes 11c, l ld du côté de l'espace accélérateur 18. Le coude l ia est concave vers l'extérieur de l'électrode et le coude 11b est convexe. Le coude 1 le est convexe vers l'extérieur et le coude l ld concave. Les bords de l'électrode 12 présentent deux coudes 12a, 12b du côté de l'espace accélérateur 16, et trois coudes successifs 12c, 12d, 12e du côté de l'espace accélérateur 17. Le coude 12a est concave et le coude 12b est convexe. Le coude 12c est concave, le coude 12d convexe et le coude 12e concave. Les coudes 11c et 12c sont plus proches de l'axe Z que les coudes 11b et 12b. Les bords des électrodes d'accélération 11, 12 sont sensiblement rectiiignes à plus grand rayon, après les coudes 1 1 a, 12a l ld et 12e. L'éplucheur 20 se situe dans l'exemple considéré à une distance de l'axe Z comprise entre les distances à l'axe Z des coudes 11c et l ld. Les coudes 11b et 12b, 11c et 12d conduisent à un changement d'orientation sensiblement à angle droit. On voit que l'écart angulaire autour de l'axe Z entre les espaces accélérateurs 1 7 et 18 tend à augmenter quand le rayon augmente, de même pour les espaces accélérateurs 15 et 16. Le coude l ld est à une ordonnée intermédiaire entre celles des coudes 12c et 12d. Les ordonnées des coudes 12a et 12d sont sensiblement opposées. L'angle entre les portions sensiblement rectiiignes au-delà des coudes l ia et 12a est sensiblement de 90°. Il en est de même des portions sensiblement rectiiignes au-delà des coudes 1 ld et 12e.
La cavité accélératrice 13 est configurée pour accélérer les ions sur un premier harmonique de rang hl de sa fréquence H F, par exemple l'harmonique de rang 4.
Dans les figures 4 à 10, par souci de clarté, seuls les espaces accélérateurs sont représentés.
Comme représenté par la flèche à la figure 4, l'accélération sur un premier harmonique de rang h l a pour conséquence de déplacer les centres de courbure des trajectoires des ions dans la direction opposée à l'éplucheur 20. Les signes '+' et '-' représentent les crêtes de l'oscillation de la tension HF alimentant la cavité accélératrice 13. Les ions sont avantageusement déphasés par rapport à l'onde radio fréquence aux passages des premier et deuxième espaces accélérateurs 15, 16, et sont en phase lors des passages des troisième et quatrième espaces accélérateurs 17, 18.
Comme représenté à la figure 5, le décentrage des centres de courbure apparu lors de la première accélération a pour conséquence l'amorce d'un mouvement circulaire. Ceci pourrait être évité si l'éplucheur 20 était atteint rapidement après la première accélération, mais il en résulterait une énergie des ions moins élevée au niveau de l'éplucheur.
L'éplucheur 20 est configuré pour modifier l'état de charge électrique des ions accélérés passant à travers lui jusqu'à atteindre un deuxième état de charge électrique Q2. Dans l'exemple décrit, les ions C3+ sont épluchés jusqu'à devenir des ions C6+. Pour ce faire, les ions peuvent effectuer un seul ou plusieurs passages à travers l'éplucheur 20. Comme visible à la figure 6, en considérant toutes les particules accélérées durant la capture, on obtient une dispersion des centres de courbure aux impacts sur l'éplucheur 20.
Les ions, après leur passage dans l'éplucheur 20, sont accélérés par la cavité accélératrice 13 sur un deuxième harmonique de rang h2, vérifiant hl .Ql=h2.Q2, soit en l'espèce l'harmonique de rang 2.
Comme représenté à la figure 7, les centres de courbure des trajectoires des particules épluchées n'étant pas centrés, après épluchage, ces centres amorcent un mouvement circulaire.
La dernière trajectoire d'ions avant passage dans l'éplucheur 20 est notée 'Ta', la trajectoire des ions après épluchage est notée 'Te'. La géométrie des troisième et quatrième espaces accélérateurs 17, 18 est avantageusement choisie pour limiter l'amplitude de ce mouvement circulaire dès son amorce. Comme visible à la figure 8, à plus grand rayon, les espaces accélérateurs 15, 16, 17 et 18 retrouvant une symétrie, le mouvement des centres de courbure est partiellement amorti.
Une variante d'accélérateur 1 de particules selon l'invention est représentée à la figure 9.
Dans cet exemple, les ouvertures angulaires des électrodes d'accélération 11 , 12 autour de l'axe Z (centre C) sont plus faibles, et l'éplucheur 20 est situé au niveau de l'électrode d'accélération 12, sensiblement à y=0, à l'intérieur du « dee» mais suffisamment hors de l'espace accélérateur pour que le champ électrique y soit faible.
L'électrode 1 1 présente, dans cet exemple, sur son bord deux coudes l ia, 11b de part et d'autre de la région centrale de l'accélérateur 1, et l'électrode 12 présente sur son bord deux coudes successifs 12a, 12b du côté de l'espace accélérateur 16, le second coude 12b étant d'ouverture moins importante que le premier 12a, et un seul coude 12c du côté de l'espace accélérateur 17. Le coude l ia est concave vers l'extérieur, de même que le coude 1 1 b. Le coude 12 a est concave et le coude 12b convexe. Le coude 12c est concave.
Dans cet exemple, l'accélérateur 1 comporte deux bobines de correction 30 et 31 pour le contrôle du centrage des centres de courbure des trajectoires des ions. Ces bobines ont une abscisse relativement faible, inférieure en v aleur absolue à celle du coude
12b. L'ordonnée des bobines est en valeur absolue, supérieure à celle des coudes. De même que dans l'exemple des figures 3 à 8, et comme visible à la figure 10, les centres de courbure des trajectoires des ions se déplacent dans la direction opposée à Péplucheur 20, compte-tenu de la forme donnée aux électrodes.
La figure 1 1 représente la répartition de la population d'ions carbone en fonction de l'énergie par nucléon des ions C3+ incidents, dans un accélérateur de particules 1 selon l'invention, obtenue après le passage dans un éplucheur 20 comportant une feuille de carbone, par exemple d'épaisseur comprise entre 5 μg/cm2 et 20 μg/cm2, notamment égale à 10 μg/cm2. La courbe Pi concerne les ions C3+, la courbe P2 les ions C4+, la courbe P3 les ions C5+, et la courbe P4 les ions C6+. Ces courbes de rendement permettent de définir l'énergie obtenue et donc la position de l'éplucheur 20 selon le niveau d'énergie désirée.
Lors du passage dans l'éplucheur 20, il s'établit une distribution des différents états de charge. Par exemple, pour le cas d'une application en radiothérapie avec des ions légers, les rendements d'épluchage à environ 1 MeV/u, soit environ 10%, conviennent à l'accélération dans un synchro-cyclotron à plusieurs centaines de MeV/u d'ions C6+ produits à partir d'ions C3+ issus d'une source PIG interne, compte tenu de l'intensité du faisceau requise pour un traitement. Par ailleurs le rendement d'épluchage est augmenté par le fait que les ions passent de préférence plusieurs fois dans l'éplucheur 20.
L'injection des particules à accélérer dans un accélérateur 1 selon l'invention peut s'effectuer de diverses façons. De préférence, afin de réduire les problèmes d'harmoniques, il est possible de réaliser une double-injection, avec des points d'injection répartis angulairement autour de l'axe de l'accélérateur. Cela présente l'avantage de pouvoir augmenter l'intensité accélérée, de pouvoir augmenter la durée de vie des sources de particules pour une intensité accélérée donnée, de pouvoir garder une source en réserve instantanément à disposition en cas de problème sur l'autre, ou encore de pouvoir utiliser des gaz distincts dans les sources et éviter ainsi de les purger.
Dans le cas d'un accélérateur de type synchro-cyclotron pour une application d'hadronthérapie d'énergie égale à 400MeV/u, le nombre de tours effectués par les particules dans l'accélérateur se situe par exemple entre 50000 et quelques centaines de milliers de tours.
L'invention n'est pas limitée à l'accélération d'ions légers et s'applique à l'accélération d'autres ions plus lourds, par exemple des ions argon. Les particules accélérées à l'aide d'un accélérateur selon l'invention peuvent être utilisées dans de nombreuses applications, par exemple pour le traitement de tumeurs, notamment par hadronthérapie de haute énergie.
L'expression « comportant un » doit être comprise comme étant synonyme de « comportant au moins un ».

Claims

REVENDICATIONS
1 . Accélérateur de particules (1) comportant :
- au moins une cavité accélératrice (13) présentant un ensemble d'espaces accélérateurs (15, 16, 17, 18) et configurée pour accélérer des ions chargés à un premier état de charge électrique (Ql) sur un premier harmonique de rang h 1 de la fréquence HF de ladite cavité accélératrice (13), et
- un unique éplucheur interne (20) situé en dehors desdits espaces accélérateurs (15, 16, 17, 18) et configuré pour modifier l'état de charge électrique des ions accélérés passant à travers l'éplucheur (20) jusqu'à atteindre un deuxième état de charge électrique (Q2),
la cavité accélératrice (13) étant configurée pour accélérer les ions, après leur passage dans l'éplucheur (20), sur un deuxième harmonique de rang h2 de la fréquence H F de ladite cavité accélératrice (13).
2. Accélérateur de particules selon la revendication 1, comportant deux électrodes d'accélération (11 , 12) modulées spatialement, de telle sorte qu'elles présentent une forme dissymétrique, présentant notamment chacune sur leurs bords au moins un coude (l ia, 1 lb, 1 l e, 1 ld, 12a, 12b, 12c, 12d, 12e) disposé d'un côté de la région centrale de l'accélérateur (1), et au moins un coude disposé de l'autre côté, leurs bords étant sensiblement rect il ignés à plus grand rayon.
3. Accélérateur de particules selon la revendication précédente, dans lequel l'angle d'ouverture des électrodes d'accélération (1 1, 12), mesuré dans le plan médian (M) d'accélération de l'accélérateur (1), est compris, à 30° près, entre 45° et 135° en région centrale de l'accélérateur (1), et est sensiblement égal à 90° à plus grand rayon, à 30° près.
4. Accélérateur de particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les harmoniques de la fréquence 11F de la cavité accélératrice (13) utilisés pour accélérer les ions avant et après passage à travers l'éplucheur (20) sont des harmoniques de rangs pairs.
5. Accélérateur de particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier harmonique (hl) de la fréquence H F de la cavité accélératrice (13) est l'harmonique de rang 4, et le deu ième harmonique ( h2) de la fréquence H F de la cavité accélératrice (13) est l'harmonique de rang 2.
6. Accélérateur de particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, la relation hl .Ql = h2.Q2 étant respectée.
7. Accélérateur de particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les ions sont produits à l'état de charge (Ql) par une source de particules interne à l'accélérateur (1), injectant les ions dans le plan médian d'accélération (M) de l'accélérateur.
8. Accélérateur de particules selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les ions sont produits à l'état de charge (Ql) par une source de particules externe à l'accélérateur (1), injectant les ions dans le plan médian d'accélération (M) de l'accélérateur, notamment par l'intermédiaire d'une injection axiale.
9. Accélérateur de particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant au moins une bobine de correction (30, 31) pour le contrôle du centrage des centres de courbure des trajectoires des ions, mieux au moins deux bobines
10. Accélérateur selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, dans lequel l'éplucheur (20) est situé au niveau d'une électrode d'accélération (11) ou en dehors des électrodes d'accélération, entre deux électrodes.
11. Accélérateur de particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, étant à fréquence variable, de préférence du type synchro-cyclotron classique ou semi-isochrone, le synchro-cyclotron étant de préférence supraconducteur.
12. Accélérateur de particules selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les particules sont des ions multichargés et légers, notamment d'Hélium, de Carbone ou d'Oxygène, voire de Néon, de préférence de Carbone.
13. Procédé d'accélération de particules dans un accélérateur de particules (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant au moins une cavité accélératrice (13), présentant un ensemble d'espaces accélérateurs (15, 16, 17, 18), et un unique éplucheur interne (20) situé en dehors de ces derniers, procédé dans lequel :
- des ions chargés à un premier état de charge électrique (Q l ) sont accélérés sur un premier harmonique de rang h 1 de la fréquence H F de ladite cavité accélératrice (13),
- les ions accélérés passent à travers l'éplucheur (20) jusqu'à atteindre un deuxième état de charge électrique (Q2), et - les ions, après leur passage dans l'éplucheur (20), sont accélérés sur un deuxième harmonique de rang h 2 de la fréquence HF de ladite cavité accélératrice (13).
14. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel l'accélération des ions avant épluchage sur l'harmonique de rang hl décentre les centres de courbure des trajectoires des ions, les éloignant du centre magnétique (C) de l'accélérateur (1).
15. Procédé selon la revendication 13 ou 14, dans lequel les ions accélérés sur le premier harmonique de rang hl de la fréquence HF de la cavité accélératrice (13) effectuent plusieurs passages à travers l'éplucheur (20) pour atteindre l'état de charge électrique (Q2).
16. Utilisation en hadronthérapie d'ions accélérés par un accélérateur de particules selon l'une quelconque des revendications 1 à 12.
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