WO2018041861A1 - Synchrocyclotron supraconducteur - Google Patents

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WO2018041861A1
WO2018041861A1 PCT/EP2017/071704 EP2017071704W WO2018041861A1 WO 2018041861 A1 WO2018041861 A1 WO 2018041861A1 EP 2017071704 W EP2017071704 W EP 2017071704W WO 2018041861 A1 WO2018041861 A1 WO 2018041861A1
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synchrocyclotron
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cryostat
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Pierre Mandrillon
Jérôme MANDRILLON
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AIMA-Développement SA
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    • H05H7/22—Details of linear accelerators, e.g. drift tubes
    • H05H2007/227—Details of linear accelerators, e.g. drift tubes power coupling, e.g. coupling loops

Definitions

  • the present invention relates to synchrocyclotrons, and more particularly to superconducting synchrocyclotrons.
  • Synchrocyclotrons are currently used in proton therapy to treat certain tumors-in high-precision radiotherapy, especially in children.
  • a superconducting synchrocyclotron conventionally comprises an accelerating cavity in which an accelerating field is generated by at least one D1 connected to a variable frequency HF source by an element called “stem” which also ensures its mechanical cantilevering at inside the accelerating cavity.
  • Particles are used to describe revolutions using a powerful magnetic field, generated by means of superconducting coils held at low temperatures in a cryostat. The latter is crossed by the stem and has a support that holds the reels in place. The mechanical strength of this support must allow it to resist, especially where it is weakened by the passage opening of the stem, electromagnetic forces originated by the coils, and the contraction of the latter during their cooling.
  • accelerators for hadrontherapy that is, accelerating hadrons, ie protons and heavier charged particles
  • Increasing the size of the accelerator causes the size of the Dice. It is known to the synchrocyclotron installed at the University of Nevis to take some of the weight of the Dice with insulators placed in the center of the accelerating chamber.
  • the invention responds to this need by means of a superconducting synchrocyclotron comprising at least one die connected to an RF source of variable frequency by a stem, and at least one superconducting coil disposed in a cryostat, characterized in that the stem is divided into at least two branches going from the HF source to the Dice, these branches each passing through the cryostat in favor of a respective opening.
  • Such a synchrocyclotron is advantageously configured to accelerate heavier ions than protons, especially deuterons or He 3 , He 4 , carbon, neon or oxygen ions.
  • the die can be mechanically supported cantilevered without it being necessary to provide a holding by insulators in the center of the accelerating cavity, the branches of the stem being made with the necessary inertia for to control the arrow of the Dé.
  • the crossing of the cryostat is made by openings of smaller size than for a stem without division, so that the support of the coils disposed inside the cryostat can be achieved more easily with the strength required to hold the coils.
  • the division into branches of the stem reduces the impedance at the branches, which makes it possible to lengthen the stem and to move away the HF source, which is advantageous especially when the HF source comprises a rotary capacitor which it should be removed from the magnetic field leakage ⁇ electromagnet accelerator.
  • the synchrocyclotron may have a breech with a breech return to close the field.
  • the return of breech is crossed by the stem.
  • the division of the stem can take place inside the breech return.
  • the branches of the stem can leave the breech return towards the cryostat by respective openings of the breech return.
  • the RF source may be of any type, for example a rotary capacitor, or have a ferrite or be broadband.
  • the stem has only two branches.
  • the distance between the branches is greater than the transverse dimension of the branches measured parallel to the median plane of acceleration. This facilitates the realization of separate openings for crossing the cryostat.
  • FIG. 1 is a schematic and partial top view of a
  • synchrocyclotron in a direction perpendicular to the median plane of the accelerating cavity,
  • FIGS. 2 and 3 are schematic sections along II-II and III-III of FIG.
  • FIG. 1 shows a superconducting synchrocyclotron 1 comprising, in a manner known per se, an accelerating cavity provided with at least one die 10 making it possible to generate an accelerating electric field.
  • This dice 10 is connected to a variable frequency RF source 11 comprising, for example, a rotary capacitor, known in itself, by a stem 20.
  • the synchrocyclotron 1 comprises a cryostat 30 which surrounds the accelerating cavity and which houses unrepresented superconducting coils for generating the magnetic field necessary to bend the trajectory of the particles during their acceleration so as to enable them to describe revolutions in the accelerating cavity.
  • the synchrocyclotron 1 comprises a magnetic yoke which has a return 40 for closing the magnetic field generated by the coils.
  • the portion 25 of the stem 20 from the RF source 11 enters through the breech return 40 through an opening 41 and divides into two branches 21, which are preferably parallel, as illustrated.
  • the latter leave the return 40 through respective apertures 42 and pass through the cryostat 30 through respective openings 31.
  • the openings 41 are separated by a solid portion 43 of the bolt return 40.
  • the openings 31 of the cryostat are separated by a portion 33 thereof participating in supporting the coils contained therein.
  • a mass shield 23, also called a "liner" extends opposite the stem 20. In FIGS. 2 and 3, this shielding 23 has been shown spaced from the wall of the openings 31 and 41, but it may alternatively be apply on it.
  • the distance W between the branches 21 is greater than the transverse dimension d of the branches measured parallel to the median plane M of the accelerating cavity.
  • Sealing means 50 are provided to ensure the sealed passage of the cryostat 30 by the branches 21 of the stem 20.
  • These sealing means 50 are for example arranged at the entrance of the openings 31, as illustrated.
  • the branch section 21 of the stem 20 may be arbitrary, in particular circular.
  • the shape of the stem 20 may vary, in particular the orientation of the branches 21, which may for example diverge towards the die 10.
  • the shape of the latter is not limited to the illustrated form.

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Abstract

Synchrocyclotron supraconducteur comportant au moins un Dé relié à une source HF de fréquence variable par un stem, et au moins une bobine supraconductrice disposée dans un cryostat, caractérisé par le fait que le stem se divise en au moins deux branches en allant de la source HF vers le Dé, ces branches traversant chacune le cryostat à la faveur d'une ouverture respective.

Description

SYNCHROCYCLOTRON SUPRACONDUCTEUR
La présente invention concerne les synchrocyclotrons, et plus particulièrement les synchrocyclotrons supraconducteurs.
Les synchrocyclotrons sont actuellement utilisés en protonthérapie pour traiter certaines tumeurs-en radiothérapie de haute précision, notamment chez l'enfant.
Un synchrocyclotron supraconducteur comporte classiquement une cavité accélératrice au sein de laquelle un champ accélérateur est généré par au moins un Dé relié à une source HF de fréquence variable par un élément appelé « stem » qui assure également son maintien mécanique en porte-à-faux à l'intérieur de la cavité accélératrice. Les particules sont amenées à décrire des révolutions à l'aide d'un champ magnétique puissant, généré au moyen de bobines supraconductrices maintenues à basse température au sein d'un cryostat. Ce dernier est traversé par le stem et comporte un support qui maintient les bobines en place. La tenue mécanique de ce support doit lui permettre de résister, notamment là où il est affaibli par l'ouverture de passage du stem, aux forces d'origine électromagnétiques créées par les bobines, ainsi qu'à la contraction de ces dernières lors de leur refroidissement.
Un synchrocyclotron de ce type, destiné à la protonthérapie, a été présenté lors du 38eme European Cyclotron Progress Meeting (ECPM) en mai 2012.
Il existe un besoin pour disposer d'accélérateurs de plus grande énergie capables d'accélérer des particules plus lourdes que les protons, notamment des particules alpha, les bénéfices sur le plan clinique de tels accélérateurs étant très importants.
Néanmoins, les accélérateurs pour l'hadronthérapie (c'est-à-dire accélérant des hadrons, i.e. protons et particules chargées plus lourdes) se doivent de rester le plus compact possible pour limiter les travaux d'infrastructure lors de leur installation et conserver un coût compatible avec leur diffusion auprès du plus grand nombre d'hôpitaux.
L'accroissement de la taille de l'accélérateur entraîne celle du Dé. Il est connu du synchrocyclotron installé à l'université de Nevis de reprendre une partie du poids du Dé à l'aide d'isolateurs placés au centre de la chambre accélératrice.
Une telle solution pose un problème de maintenance car les isolateurs sont soumis au champ radiofréquence, s'échauffent, s'usent rapidement et deviennent radioactifs. Il subsiste par conséquent un besoin pour perfectionner encore les synchrocyclotrons supraconducteurs afin de faciliter la réalisation de synchrocyclotrons de plus forte puissance et qui restent relativement compacts.
L'invention répond à ce besoin grâce à un synchrocyclotron supraconducteur comportant au moins un Dé relié à une source HF de fréquence variable par un stem, et au moins une bobine supraconductrice disposée dans un cryostat, caractérisé par le fait que le stem se divise en au moins deux branches en allant de la source HF vers le Dé, ces branches traversant chacune le cryostat à la faveur d'une ouverture respective.
Un tel synchrocyclotron est avantageusement configuré pour accélérer des ions plus lourds que les protons, notamment des deutons ou des ions He3, He4, carbone, néon ou oxygène.
Grâce à l'invention, le Dé peut être supporté mécaniquement en porte-à-faux sans qu'il soit nécessaire de prévoir un maintien par des isolateurs au centre de la cavité accélératrice, les branches du stem étant réalisées avec l'inertie nécessaire pour maîtriser la flèche du Dé.
La traversée du cryostat se fait par des ouvertures de taille plus restreinte que pour un stem sans division, de sorte que le support des bobines disposé à l'intérieur du cryostat peut être réalisé plus facilement avec la résistance mécanique nécessaire pour tenir les bobines.
De plus, la division en branches du stem diminue l'impédance au niveau des branches, ce qui permet d'allonger le stem et d'éloigner la source HF, ce qui est avantageux notamment lorsque la source HF comporte un condensateur rotatif qu'il convient d'éloigner au mieux du champ magnétique de fuite de Γ électroaimant de l'accélérateur.
Le synchrocyclotron peut comporter une culasse avec un retour de culasse pour refermer le champ. Dans ce cas, le retour de culasse est traversé par le stem. La division du stem peut avoir lieu à l'intérieur du retour de culasse. Les branches du stem peuvent sortir du retour de culasse en direction du cryostat par des ouvertures respectives du retour de culasse.
La source HF peut être de tout type, par exemple à condensateur rotatif, ou comporter une ferrite ou être à large bande.
De préférence le stem ne comporte que deux branches. De préférence l'écart entre les branches est supérieur à la dimension transversale des branches mesurée parallèlement au plan médian d'accélération. Cela facilite la réalisation d'ouvertures séparées pour la traversée du cryostat.
L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, d'un exemple de mise en œuvre non limitatif de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel :
- La figure 1 est une vue de dessus schématique et partielle d'un
synchrocyclotron selon l'invention, dans une direction perpendiculaire au plan médian de la cavité accélératrice,
- Les figures 2 et 3 sont des coupes schématiques selon II-II et III-III de la figure 1.
On a représenté à la figure 1 un synchrocyclotron supraconducteur 1 comportant de façon connue en soi une cavité accélératrice pourvu d'au moins un Dé 10 permettant de générer un champ électrique accélérateur.
Ce Dé 10 est relié à une source HF à fréquence variable 11 comportant par exemple un condensateur rotatif, connu en lui-même, par un stem 20.
Le synchrocyclotron 1 comporte un cryostat 30 qui entoure la cavité accélératrice et qui loge des bobines supraconductrices non représentées permettant de générer le champ magnétique nécessaire pour incurver la trajectoire des particules durant leur accélération afin de leur permettre de décrire des révolutions dans la cavité accélératrice.
Dans l'exemple considéré, le synchrocyclotron 1 comporte une culasse magnétique qui comporte un retour 40 permettant de refermer le champ magnétique généré par les bobines.
La partie 25 du stem 20 provenant de la source HF 11 pénètre par à l'intérieur du retour de culasse 40 par une ouverture 41 et s'y divise en deux branches 21, lesquelles sont de préférence parallèles, comme illustré. Ces dernières quittent le retour 40 par des ouvertures respectives 42 et traversent le cryostat 30 à la faveur d'ouvertures respectives 31. Les ouvertures 41 sont séparées par une portion pleine 43 du retour de culasse 40. Les ouvertures 31 du cryostat sont séparées par une portion 33 de celui-ci participant au support des bobines contenues à l'intérieur. Un blindage de masse 23, encore appelé « liner », s'étend en regard du stem 20. Sur les figures 2 et 3, ce blindage 23 a été représenté espacé de la paroi des ouvertures 31 et 41 mais il peut en variante s'appliquer dessus.
L'écartement W entre les branches 21 est supérieur à la dimension transversale d des branches mesurée parallèlement au plan médian M de la cavité accélératrice.
Des moyens d'étanchéité 50 sont prévus pour assurer la traversée étanche du cryostat 30 par les branches 21 du stem 20.
Ces moyens d'étanchéité 50 sont par exemple disposés à l'entrée des ouvertures 31, comme illustré.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple qui vient d'être décrit.
Par exemple, la section des branches 21 du stem 20 peut être quelconque, notamment circulaire.
La forme du stem 20 peut varier, notamment l'orientation des branches 21 , lesquelles peuvent par exemple diverger vers le Dé 10. La forme de ce dernier n'est pas limitée à la forme illustrée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Synchrocyclotron supraconducteur (1) comportant au moins un Dé (10) relié à une source HF (11) de fréquence variable par un stem (20), et au moins une bobine supraconductrice disposée dans un cryostat (30), caractérisé par le fait que le stem (20) se divise en au moins deux branches (21) en allant de la source HF vers le Dé, ces branches traversant chacune le cryostat à la faveur d'une ouverture respective (31).
2. Synchrocyclotron selon la revendication 1, comportant une culasse magnétique et un retour de culasse (40) traversé par le stem (20).
3. Synchrocyclotron selon la revendication 2, la division du stem ayant lieu à l'intérieur du retour de culasse.
4. Synchrocyclotron selon la revendication 3, les branches (21) du stem sortant du retour de culasse en direction du cryostat par des ouvertures respectives (42) du retour de culasse (40).
5. Synchrocyclotron selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, la source HF étant à condensateur rotatif (11).
6. Synchrocyclotron selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, la source HF comportant une ferrite.
7. Synchrocyclotron selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, la source
HF est à large bande.
8. Synchrocyclotron selon l'une quelconque des revendications précédentes, le stem (20) ne se divisant qu'en deux branches (21).
9. Synchrocyclotron selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'écart (W) entre les branches (21) étant supérieur à la dimension transversale (d) des branches mesurées parallèlement au plan médian d'accélération (M).
10. Utilisation du synchrocyclotron selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour accélérer des ions plus lourds que les protons.
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