A. MosnierJournées de Prospectives DAPNIA-IN2P3 (11-15 Oct. 2004)1 Projets d'accélérateurs liés...

A. Mosnier Journées de Prospectives DAPNIA-IN2P3 (11-15 Oct. 2004) 1

Projets d'accélérateurs liés auxProjets d'accélérateurs liés aux

Sources de rayonnement synchrotronSources de rayonnement synchrotron

Nouvelles techniques d'accélérationNouvelles techniques d'accélération

Applications médicalesApplications médicales

~ Remerciements ~

M. Jablonka

Sources rayonnement synchrotron

M.E. Couprie, D. Garzella

Nouvelles techniques d'accélération

B. Cros, J.R. Marquès, H. Videau

Applications aux machines médicales

M. Bajard, J.M. De Conto, J.M. Lagniel, F. Méot

Accélérateurs : applications et nouvelles techniques


Accélérateurs : applications aux sources de rayonnement synchrotron

50 sources de lumière dans le monde dont 20 de 3e génération3e générationbasées sur des anneaux de stockage

8 en construction (SOLEIL, DIAMOND, ...) plusieurs en projet

dans le même temps se développent les sources de 4e génération4e génération

Objectif: satisfaire des nouvelles demandes des utilisateurs :

● Brillances plus élevées● Cohérence longitudinale et transverse● Impulsions ultra-brèves ( 100 fs)● Régime quasi-continu● Longueurs d'ondes très courtes (VUV, X)

basées sur des accélérateurs linéaires et sur des avancées technologiques résultant de plus de 20 ans de R&D :

● Cavités accélératrices supraconductrices ● Photo-injecteurs, compensation d'émittance ● Compresseurs de paquets ● Récupération d'énergie (ERL) ● Onduleurs haute performance



Configurations des Lasers à Electrons Libres (LEL)Configurations des Lasers à Electrons Libres (LEL)

"SASE" (Self Amplified Spontaneous Emission)

LEL oscillateur

"HGHG" (High Gain Harmonic Generation)

modulator radiatordisp

• faisceaux e- faibles émittance (1 mm.mrad) et dispersion en énergie

• des onduleurs très longs (100 m pour = 1 Å)exigent

permettent

• longueurs d'ondes très courtes (pas de miroirs)

• avec linac 10-20 GeV < 1 nm jusqu'à 0,1 nm

• impulsions très brèves (compression de paquets)

)()(93.02/12

22

cmTBKKn

www

n



Les sources de 4e génération en service et en Les sources de 4e génération en service et en projetprojet

Projet Labo Pays TypeModeLEL

E [GeV]

[nm]

Situation

TTF II DESY D SC SASE 1 6 En constructionX FEL DESY D SC SASE 25 0.1 APD, 60% financéBESSY FEL BESSY D SC SASE 2.25 1.2 APDSPARC-X Frascati I RT SASE 2.5 1.5 APS + Prototype financéFERMI ELETTRA I RT HGHG 3 1.2 APS4GLS Daresbury GB SC HGHG 0.6 10 APS + Prototype financéARC-EN-CIEL France F SC HGHG 0.7 0.8 APSLCLS SLAC USA RT SASE 14 0.15 APD, financéCHESS Cornell USA SC SASE 5 100 APS + APD prototype

IRFEL JLAB USA SC Osc/ERL 0.2 10 En opération

LUX Berkeley USA SC HGHG 2.5 1.2 APD

MIT Bates USA SC HGHG 4 0.3 APS

SCSS KEK J RT SASE 1 3.6 En construction

JAERI FEL Tokai J SC Osc/ERL 0.017 5 Fonctionne

KAERI Corée K SC Osc/ERL 0.04 10 En construction


X-RayX-Ray

~109~109 103 by e quality long undulators103 by e quality long undulators

106 by FEL gain106 by FEL gain


Sept . 2000 Sept . 2001


P = P0P = P0

N = 1.2 mN = 1.2 m

P = P0/100P = P0/100N = 2.0 mN = 2.0 m

Qualités de faisceau primordialesQualités de faisceau primordialesex. Effet de l'émittance sur la Saturation dans LCLS



Source de bonne émittanceSource de bonne émittanceAccélération rapide pour éviter la dilution de charge d'espace

laser beam

electronbeam

IIpkpk 50-100 A 50-100 A

QQ 1 nC 1 nCNN 2 2 mm

IIpkpk 50-100 A 50-100 A

QQ 1 nC 1 nCNN 2 2 mm

Ex. TTF2

• Photo cathode CsTe

• Coupleur HF coaxial

• Gradient cathode 40 MV/m

• Dissipation maximum 27 kW

• Emittance @1 nC < 2 mm.mrad


R&D sur le laser pour reproductibilitéaméliorations ● gradient 60 MV/m

● pulse laser rectangulaire


ee––RR

zz

Rayonnement cohérent Rayonnement cohérent pourpourzz

génère dispersion en énergiegénère dispersion en énergie

LL00

effet dispersifeffet dispersif x = Rx = R1616((ss))E/EE/E

grossissement d'émittancegrossissement d'émittance

ssxx

Rayonnement Synchrotron Cohérent (CSR)Rayonnement Synchrotron Cohérent (CSR)


BC1 (TTF 2)BC2 (TTF 2)

LCLS

Schémas de compensation


Comparaison spectres de HGHG et SASE (non saturé) à 266 nm avec mêmes conditions de faisceau e-


MINI DispersionSection

wiggler NISUS

800 nm 266nm

BNL/DUV-FELBNL/DUV-FELExpérience HGHGExpérience HGHG

Wavelength (nm)

Inte

nsit

y (a

.u.)

0.23 nm FWHM

SASE x105

HGHG

harmonic 3harmonic 3


LCLS : X-FEL basé sur 1 km du linac SLAC existantLCLS : X-FEL basé sur 1 km du linac SLAC existant


2 compressors2 compressors

one undulatorone undulator

1.5-15 Å1.5-15 Å


TESLA X-FEL TESLA X-FEL (DESY)(DESY)• Linac 1.6 km, 20 GeV, 23 MV/m

• 936 cavités supraconductrices, en 78 modules de 12 cavités• Technologie TESLA (choisie en Août 2004 par ITRP pour le futur ILC)

• ~ 0,1 - 10 nm (1er harmonique 0.05 nm)• Coût 700 M€

• 60% financé par Allemagne (Etat + Région)

• Le reste à trouver avec partenaires européens




Le projet ARC-EN-Le projet ARC-EN-CIELCIEL

Énergie :700 MeVInjection : 10 MeVCharge/paquet : 1 nCEmittance : 2 mm.mrad

• LEL oscillateur (120-10 nm), SASE (200-7 nm), HGHG (100-0,8 nm)

• Seeding avec harmoniques générés dans les gaz

• Boucles optionnelles pour récupération d'énergie (ERL)

• Autres utilisations : Accélération plasma, diffusion Thomson

source de rayonnement accordable, cohérent etsource de rayonnement accordable, cohérent etde polarisation ajustable jusqu’à 1 keV (X-mous)de polarisation ajustable jusqu’à 1 keV (X-mous)

20 nm20 nm

Ti:SaTi:Sa

120-10 nm120-10 nm

10 Hz - 10 kHz10 Hz - 10 kHz



Le projet ARC-EN-Le projet ARC-EN-CIELCIEL

Brillance crête Brillance crête →→

Laser

ARC-EN-CIEL PHASE IARC-EN-CIEL PHASE Ipermet de tester la génération d’harmoniques dans l’UV lointainpermet de tester la génération d’harmoniques dans l’UV lointainavec la possibilité de synchronisation avec des lasers conventionnelsavec la possibilité de synchronisation avec des lasers conventionnels

/3

220 MeV220 MeV

200 nm200 nm66 nm66 nm

Demande de financement SESAME en 2005 ?



• Encore beaucoup de R&D nécessaire• Contrat européen (Design Study) EUROFEL accepté classé No 1 9 M€ sur 3 ans ; 16 participants de 5 pays différents (G, UK, I, S, F)

• Retard français dans le développement sources 4ème génération

• Plusieurs labos CEA et IN2P3 engagés dans EUROFEL• Projet ARC-EN-CIEL : soutenu par les utilisateurs mais pas d'équipe "accélérateur" demande de financement "SESAME" en 2005 pour Phase I ?

• Projet X-FEL : extrapolation (100 nm → 0,1 nm) assurée ?un projet européen unique ou plusieurs projets nationaux ?

ConclusionsConclusions

6 Activités1. Photo-canons et injecteurs (leader INFN, Rome)2. Dynamique de faisceau (leader CCLRC-Daresbury)3. Synchronisation (leader : ELETTRA, Trieste)4. « Seeding » et génération d’harmoniques (Leader Max-Lab, Lund)5. Linacs supraconducteurs CW et quasi-CW (Leader BESSY, Berlin)6. Transfert de technologie des cryomodules (Leader DESY, Hambourg)


Accélérateurs : nouvelles techniques d'accélération

Limitation des accélérateurs actuelsLimitation des accélérateurs actuelsPlot de Livingston : effet de saturation

limitation pratique : coût par GeV !!!

machines circulairesB ~ 10 TeslaRayonnement synchrotron (e-)

machines linéaires (technologie RF)E ~ 100 MV/m (~ 50 MV/m pour SC)

Besoin de nouveaux concepts

technologie qui semble la plus prometteuseaccélération basée sur les PLASMAS

Gradients 100 MV/m → 150 GV/maccélérateurs ultra-compacts

Etudes et expériences depuis ~ 20 ansmais progrès décisifs ces dernières années

avènement de lasers puissants, pulses ultra-courts, rendement 20% pompé par diodes


Avantages d'une onde plasmaAvantages d'une onde plasma

Plasma = milieu ionisé supporte Champs Electriques Intenses (démontré)

Onde plasma = Champ de charge d'espace

- oscille naturellement à p

- peut être longitudinal et se propager à v ~ c


'97 100 GV/m Laser 100 TW du LULIpulse laser focalisé dans un jet de gaz100 MeV sur 1 mm

'98 160 GV/m Rutherford Lab100 MeV sur 0,6 mm


Lasers

Laser

Faisceau e+ ou e-

Laser


Schémas d'excitation des Ondes PlasmaSchémas d'excitation des Ondes Plasma

p ~

p ~ c

p ~ c

p < c

Battement d’ondesavant utilisation lasers puissants, ultra-courtsmodulation de l'enveloppe du pulse laser train de pulses résonants courts

Sillage laserForces pondéromotrices ~ grad laser ~ 200 fs pour ne=1017 cm-3 rendement laser

Sillage plasmarequiert faisceau énergétique (SLAC)énergie fournie par faisceau primaire

Sillage laser auto-modulérequiert laser puissant, pulses longsNon linéaire (Instabilité Raman)Sillage laser forcé : compression pulse laser par dispersion vitesse de groupe



Expérience au SLACExpérience au SLAC : Sillage plasma par faisceau d'e-

Expérience E-162paquet 2 ps = 279 MeVlongueur plasma = 1,4 m

Final FocusTest Beam

LINAC3 km e-/e+

tête

queue

Amplitude N∝ b / σz2



schéma Afterburner pour ILC 4 GV/m500 GeV / faisceau → 1 TeV sur 125 mpaquets pilotes + paquets de production

Expérience E-164paquet << ps = 4 GeV sur 10 cm

Présenté au Workshop“Advanced Accelerator Concept Workshop” (Juin 2004)


Mécanisme Labos Gain Energie Champ Acc Longueur Acc

Battemt OndesUCLA, LULI, Canada, ILE

1 à 30 MeV 1 GV/m 1 à 10 mm

Sillage Laser LULI 1.5 MeV 1 GV/m 2 mm

Sillage PlasmaSLAC-UCLA-USC-Berkeley

250 – 4000 MeV 40 GV/m 10 cm

Sillage AM RAL, LULI, LOA 60 à 200 MeV 100 - 200 GV/m 1 mm


Résumé des résultats expérimentauxRésumé des résultats expérimentaux

Conclusions ● Gradients accélérateurs élevés● Accord avec prédictions théoriques● meilleurs candidats : excitation par sillage (laser ou plasma)● mais injecteurs actuels mal adaptés: acc. non optimale, large spectre

Sillage AM : e- du plasma capturés Source e- relativiste intense, ultra-brève < ps

Longueur d'interaction : limitée par diffraction faisceau laser ou déphasage onde / e-

techniques de guidage : par tube capillaire ou par canal de plasma (ex. jet de gaz)


Workpackage ANADWorkpackage ANAD (Advanced and Novel Accelerator Development)dans le réseau ELAN de CARE (Coordinateur B. Cros)

France (LPGP Orsay, LULI, LOA, CPhT Palaiseau)7 partenaires européens (UK, Portugal, Pays-Bas, Allemagne)

Objectifs coordonner au niveau Européen● Choix technologiques (injection, guidage)● Résolution des pb de synchro et de focalisation du faisceau d’électrons● Echanges sur techniques de manipulation et diagnostics de faisceaux e-

● Elaborer des propositions de JRA ou de DS (pas de possibilité de nouveau JRA associé à CARE)

Groupe de réflexionGroupe de réflexion sur l'accélération laser/plasma● Laboratoires de Polytechnique (LOA, LULI, LLR, CPhT)● Laboratoires d'Orsay (LPGP, LAL)● Laboratoires du CEA (DAPNIA, DAM/DPTA)

Constat - Labos français pionniers- fortes compétences existent (Orsay, Palaiseau, Saclay)- installations existantes de pointe (ex. LOA)

Objectifs - faire le point sur état de l'art en lasers et techniques d'accélération- faire des propositions de projets




Construction d'une installation dédiée, comprenant

Laser 100 TW (10 J, 100 fs) 10 Hz

Injecteur délivrant paquets e- relativistes ultra-courts E > 10 MeV, < 100 fs

photo-canon RF ou source laser-plasma

Module accélérateur Gain d’énergie ~1 GeV sur 10 cm

La prochaine étapeLa prochaine étape en France pourrait être

B. CrosB. Cros


Accélérateurs : applications au médical

Faisceaux de hadronsFaisceaux de hadrons

permettent le traitement des tumeurs inopérables ou résistantes aux moyens de radiothérapie conventionnelle

3 centres opérationnels en France : Orléans (neutrons) Nice (protons) Orsay (protons)

Projets proposésProjets proposés

Rénovation du CPO (Centre de Protonthérapie d'Orsay)

projets basés sur irradiation avec faisceaux de Carbone

ETOILE (Lyon) et ASCLEPIOS (Caen)

ex. Salle de traitement faisceau fixe (GSI)


Neutrons Particules à fort TEL (=dE/dx) forte ionisation le long de la trace

forte Efficacité Biologique Relative(EBR = dose-X / dose-hadron déposées pour un même effet biologique)mais mauvaise balistique donc mauvaise conformation 3-D

Protons EBR ~ 1 limite de dose due à la toxicité Avantage : optimisation de la répartition de dose au sein de la tumeur (pic de Bragg)

faible dispersion latérale

Ions légers (He, Li, C, ...) combinent les deux avantages - EBR ~ 3 pour les ions Carbone - précision balistique : pic de Bragg

Profondeur dans l'eau : 2-27 cm E = 80 - 400 MeV/u pour ions C

Accélérateurs : applications au médicalMotivationsMotivations


Contrôle de l'irradiationContrôle de l'irradiation encore plus poussé par

technique du "raster scanning"

● balayage dynamique H & V par

contrôle actif énergie et balistique

● Contrôle de dose en temps réel

(variation de vitesse de balayage)

possibilité dosimétrie in situ (caméra TEP) pour ions Carbone (émission de positons)


utilisation de gantry (bras rotatif isocentrique)

● irradiation sur 360° & précision du point d'impact

pre-étude GSI (HICAT)

● mais masses importantes pour ions C (700 T)

(rigidité magnétique) aimants supra ?


Irradiation par protons :

~ 20 centres opérationnels

plus de 35 000 patients traités(la majorité dans les 10 dernières années)


2 centres en France :

Nice (cyclotron 65 MeV)

CPO Orsay (synchrocyclotron 201 MeV) créé en 1991, intégré à l'institut Curie depuis 1/01/04

3000 patients déjà traités - croissance de la demande clinique

Rénovation capacité de 650 patients /an en 2008

nouvelle machine (> 230 MeV) type cyclotron (classique ou supra) ou synchrotron

bras isocentrique

4 salles de traitement avec distribution rapide du faisceau et possibilité balayage actif


salle Y1

salle Y2

4e salleY3

machine actuelle

nouvelle machine

bras isocentrique


budget total ~ 23.5 – 25.5 M€maîtrise d'oeuvre déléguée aux industriels avec contribution IN2P3 / DAPNIApour APS, APD et rédaction cahier des charges, appels d'offres et suivi de réalisation

Machine + lignes 10.5 – 12.5 M€

Bras isocentrique 10.0 M€

Rénovation salle Y2 0.5 M€

4e salle 2.5 M€

Total 23.5 - 25.5 M€

CPOCPO


période pionnière : 75-93 (Berkeley)1200 patients traités par faisceaux d'ions légers

1994 : ouverture à Chiba (Japon) 1er centre dédiéau traitement des tumeurs par ions Carbone (HIMAC)

au sein du NIRS (National Institute of Radiological Science)~ 2000 patients traités depuis 10 ans

1997 : GSI (Darmstadt) avec équipe radiothérapie Heidelberg ~ 200 patients traités

énergie utilisée = 400 MeV/u (parcours des ions de 30 cm dans l'eau)mise en oeuvre du balayage dynamique (préféré à la diffusion passive)

Les projets "nouveau concept" : spécs, solutions tech. et budgets très similaires

Hyogo (HIBMC) Hyogo Ion Beam Medical Center mise en opération p (2003), C (2004)

Heidelberg (HICAT) Heavy Ion Cancer Therapy facility en construction

responsable accélérateur : GSI qui s'appuie sur SIEMENS

Pavie (CNAO) Centro Nazionale Adroterapia Oncologica en construction

synchrotron étudié au CERN (96-2000) PIMMS (Protons Ions Medical Machine Study)

+ autres projets Med-Austron (Autriche) Karolinska (Suède)

Accélérateurs : applications au médicalLes ions CarboneLes ions Carbone


Hôpitaux Neuro. & CardioFutur Hôpital Mère-EnfantCERMEP

Hôpital de la Croix-Rousse

Centre L. BérardHôpital E. Herriot

Futur Hôpital privé J.Mermoz

HôpitauxLyon-Sud

BRON


ETOILE

ETOILE

Université de Lyon I

APS (convention tripartite UCBL/DSM/IN2P3)

Rapport déc. 2001

Site de référence :Hôpital du Vinatier

s'appuie sur la proximité de

• hôpitaux :neurologique et cardiologiquefutur hôpital Mère-Enfants

• Centre régional de lutte contre le cancer Léon Bérardhôpital E. Herriot

• pôle d'imagerie médicaleet Centre TEP (CERMEP)

Les projets en FranceLes projets en France

Hôpital département du Vinatier


ASCLEPIOSs'appuie sur la proximité des• campus Jules Horowitz :

GANIL - production de faisceaux d'ions énergétiques)CIRIL (Centre Interdisciplinaire de Recherche Ions et Lasers)CYCERON (Centre d'imagerie cérébrale et de recherches en neurosciences) - plate-forme d'imagerie in vivo)

• campus médical :CHU, CLCC (Centre de Lutte Contre le Cancer) François Baclesse

• campus Côte de Nacre :laboratoires de l'Université et de l'ENSICAEN - compétence en dosimétrie et imagerie

propose la réalisation d'un APDmaître d'ouvrage = structuremédicale regroupant CHU-CLCCmaîtrise d'œuvre = GANIL


campusJules Horowitz

campus médical

campus Côte de Nacre



Spécifications principalesSpécifications principales ETOILE & ASCLEPIOS

Projectiles : des protons aux ions carbone (p, He, C, O)

Profondeur pénétration : 2 à 27 cm dans l'eau

85 - 400 MeV / u 12C50 - 200 MeV proton

Méthode d'irradiation : Raster – scanning ( 20 x 20 cm2 ) possibilité d'un système passif

Dose max. à la tumeur : 2 Gy/mn dans 1 litre

4 x 108 C+6 / déversement1 x 1010 p / déversement

Disponibilité annuelle > 97 %

Nombre de patients traités : 1000 / an (objectif)

Qualité – Fiabilité : prioritaire

Salles de traitement : 3 salles @ 15 sessions/patient+ 1 salle études radiobioliques & tests

Diagnostics : IRM, TEP, scanner X



Choix des options techniquesChoix des options techniques

accélérateur & lignes faisceau de conception classiquedesign basé sur projets européens (HICAT, CNAO)

Accélérateur : Synchrotron bien adapté de type PIMMS (CNAO)

400 MeV/u, B=6.35 T.m, souplesse en énergie, cycle flexible

Lignes de distribution : Structure "arrête de poisson"

Sources : ECR commercialisées de type ECRIS

Injecteur : GSI-Francfort (HICAT, CNAO)

SuperNanoganintensité requise = 125 A en C



Injection multi-tours 7 MeV/u

Extraction résonante

avec septum

RFQ & Linac

Sources ions ECR

Synchrotron"PIMMS"

Salles de traitementfaisceau fixe H

Salles de traitementavec gantry

Salles de test& radiobilogie

Palier0,2 à 8,7 s

Injectionet accélération

0,7 s

Fin de cycle 0,5 s

"gating" Déversement0,2 à 4 sCycle machine →

déclenchement déversementpar signal pour tumeurs mobiles

Arrêt faisceau ETOILE scénario salle avec gantry


ConclusionsConclusions

Collaborations étroites avec autres centres de hadronthérapie

Pas de R&D spécifique, développement bras isocentrique (gantry)

Coût construction ~ 100 M€ HT

Durée réalisation 5 ans avec 180 - 200 h.ans + APD (inclus ou 2 ans)

Coût / traitement ~ 15 k€ pour 1000 patients /an

DSM / IN2P3 : rôle d'experts et de conseils

ASCLEPIOS : APD de 2 ans (approuvé par la Région)

en parallèle, études médicales

ETOILE : scénario privilégié : réalisation industrielle (MOA déléguée)

MOA 6 personnes (s'appuie sur experts DSM - IN2P3)

rédaction specs, appels d'offres, suivi

remarque : scénario "classique" également étudié

dossier envoyé aux ministères (Recherche & Santé)


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