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Les accélérateurs à champ fixe et gradient alterné
FFAG (Fixed Field Alternating Gradient)
et leur application médicale en protonthérapie.Présenté par :
Joris Fourrier
Sous la direction de :
François MéotJacques Balosso
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1. Le projet RACCAM et les objectifs de ma thèse
2. Ecriture d’un cahier des charges médical pour la protonthérapie
3. Accélérateurs de particules FFAG à focalisation invariante et à secteur spiral
4. Outils de modélisation et de simulations numériques pour la conception d’un aimant et d’un anneau FFAG spiral
5. Définition des paramètres de l’anneau FFAG médical et dynamique faisceau
6. Conclusion et perspectives
Plan
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1. Le projet RACCAM
et les objectifs de ma thèse.
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Présentation du projet RACCAM
• Collaboration du LPSC aux projets internationaux faisant appel à la
méthode FFAG depuis 2005
• RACCAM (Recherche en ACCélérateurs et Applications Médicales) :
retombée des activités de recherche concernant la physique des hautes
énergies (usine à neutrinos) et l’application médicale des accélérateurs
• Financement de l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) pour 3 ans :
février 2006 – février 2009
1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau
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Partenaires et collaborateurs du projet RACCAM
1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau
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Objectifs du projet RACCAM
• Poursuivre les collaborations concernant la mise en œuvre des FFAG : usine
à neutrinos, construction modèle en électrons EMMA
• Former des ingénieurs et des chercheurs en R&D FFAG :
Modélisation magnétique
Développement codes de simulations numériques et d’étude de
dynamique faisceau
• Etude de l’application médicale des FFAG en protonthérapie (et
hadronthérapie) :
Conception d’un schéma d’installation de protonthérapie basée sur
un anneau FFAG à focalisation invariante et à secteur spiral
Prototypage d’un aimant FFAG spiral de cet anneau
1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau
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Mes objectifs de thèse
• Acquérir une formation médicale en radiothérapie et protonthérapie
• Elaborer un programme de calcul du dépôt de dose des protons dans l’eau
• Ecrire un cahier des charges médical pour la protonthérapie en
collaboration avec les médecins radiothérapeutes
• Modéliser analytiquement le champ magnétique d’un aimant FFAG spiral
et implanter ce modèle dans un code de tracé de trajectoires
• Développer des outils automatiques d’étude de dynamique faisceau et de
recherche des paramètres d’un anneau FFAG
• Définir les paramètres d’un anneau FFAG médical
• Participer à la modélisation magnétique 3D et à la conception de l’aimant
1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau
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2. Ecriture d’un cahier des charges
médical pour la protonthérapie.
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Radiothérapie en France
• 2003 : 280.000 nouveaux cas de cancers, 150.000 décès
• 10% des pathologies, 12% des dépenses de santé
• Radiothérapie : dans 50% des guérisons, 10% des dépenses du cancer
• Méthode efficace pour un coût réduit
• 2 techniques d’irradiation :
Radiothérapie conventionnelle : électrons, rayons X
Hadronthérapie : protons, ions légers (en projet)
1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau
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Comment la radiothérapie tue les cellules
• Brisures de la molécule d’ADN (cellules saines
et cancéreuses) :
Ionisation du milieu par la particule
incidente (mise en mouvement
d’électrons)
Effet direct : interaction électron - ADN
Effet indirect : radiolyse d’une molécule
d’eau par l’électron radicaux libres
détériorant l’ADN
• Activation des mécanismes de réparation et de l’apoptose :
Si réparations possibles, la cellule survit
Si réparations impossibles, mort cellulaire
1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau
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Effet différentiel et fractionnement
• Réparation pour les cellules saines plus efficace que pour les cellules
cancéreuses
• Si nouvelle irradiation après réparation cellules saines :
Cellules saines à nouveau réparables
Accumulation de brisures dans cellules cancéreuses
Effet différentiel : plus de cellules cancéreuses sont tuées que de
cellules saines
• Le fractionnement permet d’éliminer les cellules cancéreuses en
épargnant les tissus sains.
1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau
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Avantage des protons par rapport aux rayons X
• Courbes de déposition de dose en
fonction de la profondeur :
Rayons X : maximum de dose à
l’entrée du canal d’irradiation
Protons (et ions légers) :
maximum en forme de pic
étroit, pic de Bragg
• Profondeur du pic de Bragg directement reliée à l’énergie des protons
• Permet une amélioration balistique par rapport aux rayons X
1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau
Tumeur
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Pic de Bragg étalé• Pic de Bragg déterminé grâce à la formule de Bethe-Bloch :
• Pic de Bragg étroit par rapport taille de la tumeur :
Superposition de plusieurs pics à profondeurs
Pics correspondent à énergies
Modulation intensité et de la dose dans chaque pic
Construction d’un pic de Bragg étalé (dose homogène)
• Développement d’un programme de calcul du pic de Bragg étalé
• Permet l’évaluation du nombre de protons nécessaires pour obtenir une
dose d’irradiation donnée
• 3.4x1012 protons dans 1 L pour 5 Gy (1 Gy = 1 J/kg)
Z
C
I
Wvmz
A
ZcmrN
dx
dE Sea 22
2ln2 2
2max
220
2
22
02
Profondeur de pénétration (cm)
1. cmMeVdx
dE
1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau
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Cahier des charges médical en protonthérapie
• Irradiation « bunch to voxel » :
Volume tumoral 10x10x10
cm3 divisé en 8000 voxels
Irradiation de chaque voxel
par un paquet de protons
Changement de profondeur,
et d’énergie, en 0.1 s
Irradiation totale en moins
de 1 min : taux répétition
133 Hz• Profondeur de pénétration variable entre 4 et 20 cm (+ marge) : 70 – 180
MeV
• Débit de dose > 5 Gy / min dans 1 L : 3.4x1012 protons en 1 min dans 1L
• Taille accélérateur comparable aux synchrotrons médicaux : diamètre <
10 m
1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau
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3. Accélérateurs de particules
FFAG à focalisation invariante
et à secteur spiral.
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Accélérateurs de particules
Linéaires Circulaires
Accélérateur d’électrons médical Accélérateur de protons médical RACCAM
1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau
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• Champ magnétique pour maintenir les particules sur une orbite de
référence
Accélérateurs circulaires : avantages des FFAG
Cyclotrons FFAG Synchrotrons
• Champ magnétique
augmente pendant cycle
d’accélération
• Taux répétition limité (<100
Hz)
débit de dose limité
• Energie d’extraction
variable
• Champ magnétique constant
pendant cycle d’accélération
• Taux répétition élevé (>100
Hz)
pour fort débit de dose
• Energie d’extraction
variable :
soit variation global du
champ,
soit kick synchronisé
• Champ magnétique
constant pendant cycle
d’accélération
• Mode continu
pour fort débit de dose
• Energie d’extraction fixe
énergie variable :
dégradeur + système
sélection énergie
1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau
+ +
++
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Focalisation dans les FFAG
• Focalisation pour maintenir les particules autour de l’orbite de référence
• Focalisation forte
Champs de signes opposés : gradient alterné (FFAG radial)
Focalisation de coin assurée par les faces de l’aimant (FFAG
spiral)
• Mouvement bêtatron : oscillations des particules autour de l’orbite
accélérée dans plans horizontal et vertical
• Nombres d’onde Qh, Qv : nombre d’oscillations par révolution machine
• Stabilité : Qh, Qv éloignés de mQh + nQv = p , p ≤ 3 (m,n,p entiers)
• FFAG à focalisation invariante : Qh, Qv constants avec énergie
Réduction diamètre machine
tanexp0rr
Faces spirales :
1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau
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4. Outils de modélisation et
de simulations numériques
pour la conception d’un aimant et
d’un anneau FFAG spiral
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Modèle de champ magnétique
• Champ magnétique dans le plan z
= 0
5
5
2
210 ...
d
Cd
Cd
CCdP
dPdFexp1
1
,rFrBB zz
k
zz r
rBrB
00
17 MeV
180 MeV
• Les particules spiralent vers
l’extérieur pendant leur
accélération
k = 5.00ζ = 53.7°
1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau
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• Nombres d’onde FFAG spiral (approximation)
• Qv dépend du flutter F2, de la forme des champs de fuite et de l’entrefer
(gap)
Qv constant avec l’énergie pour entrefer linéaire
Qv augmente avec l’énergie pour entrefer à faces parallèles
Qv augmente fortement avec l’énergie pour « gap shaping »
2
22
2 2z
zz
B
BBF
Nombres d’onde
22 tan21 FkQvkQh 1
vQ
hQ
kr
,1
1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau
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1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau
• Technologie « gap shaping » permet d’établir la loi de champ le plus
facilement :
Méthode choisie pour le prototypage d’aimant
Chanfrein variable et plaques de garde ajustables pour réduction
ΔQV
Technologie choisie
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Outils de modélisation et simulations
• Implantation du modèle de champ magnétique dans le code de tracé de
trajectoire Zgoubi : modèle «FFAG-SPI»
• Développement d’outils automatiques :
d’étude de dynamique faisceau : orbite fermée, nombres d’onde,
ouvertures dynamiques (dimensions maximales des faisceaux)
de recherche des paramètres optima d’une optique FFAG spiral :
variation de (k,ζ) pour varier (Qh,Qv)
• Aboutissement : modélisation magnétique TOSCA 3D (ΣΦ / LPSC) pour les
paramètres optima de l’optique : prise en compte du fer et de la
saturation
• Ajustement des modèles « FFAG-SPI » et TOSCA 3D
1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau
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5. Définition des paramètres
de l’anneau FFAG médical
et dynamique faisceau.
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• Nombre de cellules / d’aimants N > 8 : systèmes injection, extraction,
accélération et diagnostics
• Facteur de remplissage magnétique : 0.3 < pf < 0.45 : sections droites
longues pour insertion systèmes injection, extraction
• Champ magnétique maximum à l’énergie d’extraction 180 MeV Bz0 > 1.5 T
: réduction diamètre machine
• Indice géométrique k > 3 : extension radiale des aimants réduite
• Angle spiral ζ < 55° : cavités RF, conception aimant
Définition des paramètres de l’anneau
1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau
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• Nombres d’ondes éloignés de résonances nuisibles et de couplage
• Dimensions des faisceaux à accélérer (émittances) :
30 Π mm.mrad (H) : injection multitours 2.5 Π mm.mrad (V)
• Ouvertures dynamiques grandes (40x) par rapport aux faisceaux :
> 1200 Π mm.mrad (H) > 100 Π mm.mrad (V)
Contraintes dynamiques : machine sans défaut
1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau
Particule accélérée
Ouvertures dynamiques
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Paramètres de l’anneau et de l’aimant RACCAM
Technologie « gap shaping »
Nombre de cellules N 10
Champ max Bz0 (180 MeV) 1.7 T
Indice géométrique k 5.00
Angle spiral ζ 53.7°
Facteur de remplissage pf 0.34
Rayons min/max trajectoire 2.78 / 3.48 m
Entrefer min/max 40 / 116 mm
Angle de déviation 36°
Forme culasse Parallélépipède
Dimensions LxlxH* 3.37 x 0.71 x 1.13 m
Poids du prototype* 18 t
Tension 153 V
Courant 225 A
Puissance du prototype* 34.5 kW
1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau
* non optimisé
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Dynamique faisceau : modèle « FFAG-SPI »
• Nombres d’onde éloignés de résonances nuisibles (rouge et bleues)
• Ouvertures dynamiques grandes par rapport aux contraintes :
180 MeV : 3500 Π / 950 Π mm.mrad (H/V)
57 MeV : 2900 Π / 1050 Π mm.mrad (H/V)
17 MeV : 2100 Π / 900 Π mm.mrad (H/V)
1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau
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Fonctionnement à énergie variable : modèle TOSCA 3D
• Fonctionnement à énergie variable (variation globale du champ
magnétique) :
Rayons d’injection et d’extraction restent les mêmes pour les
différents modes d’accélération
Changement en énergie changement global du champ
magnétique dans les aimants variation courant dans les bobinesMode (% courant max pour 180MeV)
Energie d’injection / extraction
Champ magnétique max
100 % 17 / 180 MeV 1.71 T
90 % 13 / 157 MeV 1.59 T
80 % 11 / 130 MeV 1.43 T
70 % 9 / 102 MeV 1.25 T
60 % 6 / 76 MeV 1.07 T
1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau
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Fonctionnement à énergie variable : dynamique faisceau (1)
(carte TOSCA)• Dimension de la zone de bon champ limitée :
Présence d’un épaulement (injection) et d’un grossissement
d’émittance (extraction)
Effet attendu car réduction volontaire de la dimension radiale de
la zone de bon champ : réduction taille et coût prototype
Transmission néanmoins correcte dans la zone de bon champ
1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau
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• Traversée de résonance aux modes basse énergie (ici 6 – 76 MeV) :
Traversée de la résonance de couplage Qh – 2Qv = 0 (près de 9
MeV)
Cause : diminution du nombre d’onde vertical pour modes basse
énergie
• Présence de pics négatifs de champ aux modes haute énergie et absence
aux modes basse énergie : saturation du fer
• Pics modifient le flutter F2 et le nombre d’onde vertical
1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau
Fonctionnement à énergie variable : dynamique faisceau (2)
(carte TOSCA)
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6. Conclusion et
perspectives.
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Conclusion 1 :Schéma de principe d’une installation de protonthérapie
basée sur un anneau FFAG spiral
Cavité accélératrice
Aimant RACCAM
Cyclotron injecteur H-
(AIMA)
Ligne d’injection
Ligne d’extraction
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Conclusion 2 :Construction de l’aimant RACCAM pour mesures
magnétiques
Culasse*
Bobine
Entrefer
* Plaques de garde non installées
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Conclusion 2 :Construction de l’aimant RACCAM pour mesures
magnétiques(suite)
Chanfrein variable
Pôle magnétique
* Plaques de garde non installées
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• Ecriture d’un cahier des charges médical pour la protonthérapie
• Développement de modèles de champ magnétique FFAG spiral
• Mise au point d’outils automatiques d’étude de dynamique faisceau et de
recherche de paramètres d’un anneau
• Recherche des spécifications de l’anneau et de l’aimant FFAG spiral
• Conception magnétique 3D de l’aimant en collaboration avec ΣΦ
• Paramètres et schéma de principe d’une installation de protonthérapie
Bilan des travaux de thèse
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• Mesures magnétiques (en cours)
• Poursuite du design magnétique 3D de l’aimant FFAG :
Augmentation gamme en énergie 17 – 230 MeV : entrefer à faces
parallèles avec courants polaires, méthode hybride : parallèle / «
gap shaping »
Excursion nombre d’onde vertical : loi radiale d’angle spiral ζ(r),
plaques de garde actives, recherche zone libre du diagramme
Traversée de résonance : ajustement du flutter, fonctionnement
régime linéaire (Bz0 < 1.5 T)
Etude des effets des défauts pour définir les tolérances
Optimisation dimensions / poids / puissance de l’aimant
• Etudes des systèmes d’injection, extraction et d’accélération
• Poursuite du projet RACCAM : avant projet simplifié d’une installation de
protonthérapie / hadronthérapie basée sur technologie FFAG
Perspectives
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Merci de votre attention !
2006 20082007