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Bernard LaunéIN2P3&IPNO
1Accelerator School at Hanoi, Vietnam 26-39 March 2011 Bernard Launé
Le Cyclotron, un outil pour la médecineIPHC 13 septembre 2013
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- Généralités sur les cyclotrons- Aspects importants des cyclotrons- Différents types de cyclotron- Avantages des cyclotrons- Applications médicales
Plan
2
- Applications médicales- Cyclotrons utilisés pour la médecine- Conclusion
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DC fields
Cockroft-Walton(1932)
3
Robert Van de Graaf(1930-1932)
Limitations en énergieet courant
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Accélérateurs linéaires
RF utilisée une seule fois: fort courant, grande longueur pour grandes énergiesDifférent pour les e-
4
Wideroe 1928CERN LINAC2 50 MeV p+
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�Idée1: limitation de HT
�Idée 2: les accélérateurs linéaires tendent vers des longueurs et des puissances dissipées dans les cavités RF irréalistes
Idée de Lawrence : le cyclotron
5
RF irréalistes
� Idée 3: courber les trajectoires avec un champ magnétique et une seule cavité RF
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Cyclotron de Lawrence (1931)
6
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• (Q, m) ion, vitesse v, se déplace sur un cercle de rayon r tel que
mv²θ/r = Qv
θBz
Equations de base
7
• vitesse angulaire:
ω = vθ/r = QBz/m
frev = ω/2π
Isochronisme : indépendant de l’Energie
(non relativiste)
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Appliquer une tension RF sur le « Dee » à la fréquence:
fHF = h frev .
Avec vθ
= QBzr/m
� Le rayon augmente avec l’énergie et décrit une sorte de spirale.
h : rang harmonique
Accélération
8
spirale.
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Focalisation verticale nécessaire
9
NON! Trouver une force de rappel verticale!
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-4
-2
0
2
4
6
z
Br
BBz
BzB
Br
v
Fz
Br
r
Pôle Nord
Axe de symétrie des pôles
Plan médian
Entre les pôles, les lignes de champ s’incurvent : composante Br
Field index k
Champ magnétique décroissant avec R
10
-6Pôle Sud
z = z0 cos(νzθ) ν²z = - k
drdB
Brk z
z=
x = x0 cos(νrθ) ν²r = 1 + k
Stabilité : -1 < k < 0 Mais perte d’isochronisme!
Décroissant avec le rayon
νr,z : nombre d’onde
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cvmmm =
−== ββγ ,
1 20
0
γγω
0
0
mBQ=
2nd pb: effet relativiste
11
Réponse : Synchrocyclotrons ou Thomas (1938)
Champ croissant avec R: défocalisation
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Fz = vr Bθ
La trajectoire n’est plus un
Focalisation par secteurs
12
La trajectoire n’est plus un cercle : alternance de champ fort/faible
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Spiralisation
13
Kerst (1954)
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Secteurs
14
)1(1 2
2sec
sec2 ζν tgFlN
Nk
teur
teurz +−+−=
( )2
22
⟩⟨
⟩⟨−⟩⟨=B
BBFl
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Secteurs séparés
15
PSI 590 MeV p+2 mA 1.2 MW
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Cyclotron à énergie variable
( ) ( )γ0== rBrB zz
16
Utiliser des bobines de correction ou une partition des bobines supraconductrices
AGOR
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De plus en plus grand
27-inch (3.6 MeV proton, 1932)
17
27-inch (3.6 MeV proton, 1932)
37-inch (8 MeV deuton 1937)
60-inch (16 MeV proton, 1939)
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Synchrocyclotrons
18
Synchrocyclotron 1955
1977-2011IPN Orsay puis CPO
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Synchrocyclotrons
Impossible d'afficher l'image. Votre ordinateur manque peut-être de mémoire pour ouvrir l'image ou l'image est endommagée. Redémarrez l'ordinateur, puis ouvrez à nouveau le fichier. Si le x rouge est toujours affiché, vous devrez peut-être supprimer l'image avant de la réinsérer.
19
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Variation de fréquence
Condensateur rotatif
20Orsay SC: 440 Hz 15 KV
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Synchrocyclotrons : de plus en plus grand
Gatchina StPetersburg(1 GeV protons, 1967)8 000 t, 7 m diamètre
21
Berkeley 184-inch(340 MeV protons, 1946)
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�Accelerate any kind of ions ( positive or negative)
�Energy variation through magnetic field B or charge-to-mass ratio Q/A
{ } ( )22
1)/( rBAQCstnucleonMeVW γ+=
Que font les cyclotrons?
W=K (q/A) 2K : « puissance »du cyclotron
22
( even by stripping of positive or negative ions at different radiir )
� K de 10 à 2500 MeV
�Maximum energy :
~ 600 MeV (protons)
~ 350 MeV/nucleon
�Intensity : up to 2 mA (protons) 1013 to 1014 pps (heavier ions)
with DC operation !
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Résonance quand :
m νr + n νz = p
m, n, p : entiers
m+n : ordre de la resonance(dipole, quadrupoleetc…)
Résonances
23
m+n : ordre de la resonance(dipole, quadrupoleetc…)
p : rang harmonique de la « driving force »
Résonances : Somme et Différence
Respect des symétries de champ important
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Fonctions d’onde C235 PAP111
24
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-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
phase (degrés)
E 1 bunch/turnH = 1
Modes harmonique
25
-1,5
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
0 90 180 270 360 450 540 630 720 810 900 990 1080
E
Phase
3 bunch/turn
H = 3
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)2sin(0αδ hVA
QW =
h 2 3 4 5
Sin(hα/2) 0,643 0,866 0,985 0,985
Multi dee
26
Sin(hα/2) 0,643 0,866 0,985 0,985
α = 40°
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ISOCHRONISME C235 PAP111 ICPO
27
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- Source interne (PIG)
- Source externe (ECR or H-)
Injection
Avantages source interne:• simple• compacte
28
• compacte• pas de ligne d’injectionInconvénients source interne:• intensité limitée• ions lourds limités en état de charge• pas de paramètres pour l’adaptation• débit de gaz
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Simulation région centrale
3D for E, B
29
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Injection axiale
30
Miroir électrostatique
Inflecteur spiral (Pabot&Belmont)
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C01GANIL
Région Centrale
31
IBA C235
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Accélération
Sonde intégrale et différentielle (∆r)
32
CIME (GANIL)
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Accelération : Superconductingcyclotron AGOR
turn
sep
arat
ion
(mm
)
3
4
5
6
175 MeV α
33
radius [mm]200 300 400 500 600
turn
sep
arat
ion
(mm
)
0
1
2
3
Off centered beamDecrease due to range
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Séparation des tours :
Pour l’augmenter:
20 1)cos(
21
rWVA
Q
WW
rr s
≈==ϕδδ
Rr
1≈δ
Extraction
34
Pour l’augmenter:
- augmenter le gain par tour (tension, nbre de Dee)
- ϕs ≈ 0 (diminuer ∆ϕs diminuer la largeur du faisceau)
- Utiliser une précession ou une résonance
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Extraction
35
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Déflecteur électrostatique
36
AGOR : gap 7 mm, 105 KV/cm
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Extraction résonante
37
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correcteur de gradient
38Accelerator School at Hanoi, Vietnam 26-39 March 2011 Bernard Launé
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C235 Extraction
39
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Cyclotron comme séparateur de masse
tNhQmQm
π
δ
21=
40
Mesure scintillateur CIME
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Cyclotrons: Avantages/inconvénients
� Avantages : compacité, coût, simple, séparateur naturel
� Inconvénients :puissance dissipée, changement
41
� Inconvénients :puissance dissipée, changement d’énergie complexe, courant maximum limité (qquesmA), stabilité nécessaire, complexe à haute énergie
Progrès: bobines supraconductrices, accélération de H-, monoparticule/mono énergie
Parfaitement adapté aux applications médicales
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Applications médicales
� Hadronthérapie
� Production de radioisotopes:
42
� Production de radioisotopes:� PET (Positon Emission Tomography)� SPECT (Single Photon Emission ComputedTomography, scintigraphie)� Thérapie (molécules)
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Environnement de l’accélérateur à médicaliser
- Infrastructure- Accès patients et conformité des locaux- Environnement pour situations critiques (ex: anesthésie)
- Personnels- Accueil et prise en charge
44
- Accueil et prise en charge- Présence médicale et responsabilités associées
- Dispositifs- Conformité – autorisation- Fiabilité – niveau de support interne et externe - contrôle qualité- maintenance, intervention, développements … maîtrisés
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Hadronthérapie
En 2012:• 36 centres proton (toutes tailles)• 6 centres carbone• > 100 000 patients traités (95% p+)
48
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Gammes de cyclotron : IBA
Cyclone 10/5Cyclone 18/9Cyclone 30Cyclone 70
52
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IBA Protonthérapie
Number of sectors: 4
Max hill magnetic field: 2,9 T
Max valley magnetic field: 0,9 T
Average magnetic field at extraction: 2,188 T
Magneticfield at the centre: 1,76 T
53
Magneticfield at the centre: 1,76 T
AT : 5.234 10E5
Current density : 155 A/cm2
Power per coil: 110 KW
Coil weight: 2 * 10,4 t
Iron weight: 200 t
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Best Cyclotron
54
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ASCI
TR14, TR18, TR19, TR24, TR30
55
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Tabletop cyclotrons
Oxford OSCAR(EuroMeV, ALCEN)12 MeV
ABT, 7.5 MeV
56
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VARIAN/ACCEL
57
250 MeV Superconducting cyclotron for protontherapy
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Still Rivers USA
58
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ARRONAX C70 IBA (NANTES)
59
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ARRONAX
60
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Cyclotrons H-
Avantage principal: extraction par stripping, double extraction et énergie variable MAIS
Lorentz stripping Gas stripping
61
Faible B et bon vide!
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Extraction de H-
62
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TRIUMF 520 MeV H-
63
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Superconducting Ring Cyclotron (SRC )
K = 2 500 MeV3.8T (240 MJ)18-38 MHz8,300 tons
64
RIKEN, Japon
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ACSI TR24
• Source externe cusp• cryopompe + Turbo sur la ligne d’injection • 16-25 MeV• > 500 µA• PET et SPECT possibles
65
• PET et SPECT possibles• basé sur EBCO TR30 (1990)• 2.1 T• 85.085 MHz• 24 t• 120 KW
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CYRCE
66
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CYRCE
67
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Protonthérapie
Photon
68
Proton
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Préparer le faisceau de proton
Energy
69
Forme
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Active/Passive
Passive (scattering)
70
Passive (scattering)
Active scanning
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Centre de protonthérapie typique
Accélérateur
Gantry
71
Gantry
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ICPO
72
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Protonthérapie
30,000
35,000
40,000
45,000
30
35
40
4540,000 patients
73
0
5,000
10,000
15,000
20,000
25,000
1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
0
5
10
15
20
2522 PT centers
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Hadronthérapie avec des ions Carbone
74
Synchrotron (CNAO) Superconducting Cyclotron (IBA)
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Carbonthérapie
Effet biologique supérieurMoins de diffusion angulaireFragmentation6.6 T.mBR2.4 T.m proton
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Heidelberg GANTRY22m long13m Diameter450t
Innovation nécessaire!
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Future Radioisotopes
77
Réacteurs disponibles en diminution, mais problèmes des déchets liés à l’Ur
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Conclusions : radioisotopes
• Réflexions en cours sur linac supra vs cyclotrons• Cibles supportant les forts courants?• Réduction de taille des cyclotrons (énergie et courant) pour diminuer le blindage• Fonctionnement automatisé
78
• Fonctionnement automatisé• Développement probable (remplacement des réacteurs)