Synchrotron Fabry-Perot : vers une nouvelle source compacte

de rayons X pourla médecine et la recherche

Ph. Balcou

Début de l’histoire des rayons X : 1895Début de l’histoire des rayons X : 1895

Découverte fortuite par Wilhelm Roentgen d’un type inconnu (X) de rayonnements :

Dispositif : tube à décharge Pour les « rayons de cathode »

Applications médicales immédiates :

Panorama non-exhaustifPanorama non-exhaustif des sources X actuelles : des sources X actuelles :

• Tubes X, anodes tournantes…

Outil dominant dans l’industrie et la médecine, techno très mature, flux important mais saturé

• Synchrotrons

Outil dominant en recherche, grandes installations (G€)

• Sources Plasmas/Laser

Voir topo Fabien – pas de prétention au haut flux

• Autres sources Plasmas (ECR)• Sources par diffusion Compton inverse (Thomson)

Diffusion Thomson (Compton Inverse)Diffusion Thomson (Compton Inverse)

Photo- injector LINACelectrons

photons

Thomson X-ray generator

X-rays

Laser

Photo- injector LINACelectrons

photons

Thomson X-ray generator

X-rays

Laser

En pratique :

Inconvénients de la diffusion Thomson X :Inconvénients de la diffusion Thomson X :

1- La faible section efficace Thom

2- La corrélation énergie / angle

Avantages de la diffusion Thomson X :Avantages de la diffusion Thomson X :

1- Relativement simple d’atteindre les énergies des seuils K de I, Gd, Pt … ou +

2- Se prête bien aux simulations numériques

3- Bénéficie du bond en avant des technologies laser

4- Multiples possibilités de variantes technologiques

5- Interaction « propre »Interaction « propre »

Liste de projets de sources X ThomsonListe de projets de sources X Thomson

de D.E. Moncton, MIT

Familles de sources Thomson XFamilles de sources Thomson X

• LINAC chaud + laser intense (type Eclipse+)

Courtesy FE CarrollVanderbilt Univ.

MXISystems

Familles de sources Thomson XFamilles de sources Thomson X

• LINAC supraconducteur (ou ERL) + laser intense haute cadence( type projet SOLSTICE)

• Machines à recirculation

1- Recyclage des électrons dans un anneau de stockage

2- et des photons dans un résonateur Fabry-Perot de haute finesse

Familles de sources Thomson XFamilles de sources Thomson X

Idée récurrente : Mourou, Ting, Sprangle, Esarey : 1992, RochesterRon Ruth, Zhang, R. Loewen, 1998, Stanford

Collisions à haute cadence entre électrons et photons Flux X moyen potentiellement très important!! « Synchrotron à onduleur Fabry-Perot »

Seulement 2 proto «  anneau + FP » en Seulement 2 proto «  anneau + FP » en cours de montage :cours de montage :

Lyncean Technologies, Stanford

Kharkov (Ukraine) et Lyncean Tech. (SLAC), USAKharkov (Ukraine) et Lyncean Tech. (SLAC), USA

Association de plusieurs technologies :Association de plusieurs technologies :

• Fabry-Perot impulsionnels de très haute finesse (1 à 15 ps, F ~ 10000)

• Oscillateur laser impulsionnel haute puissance stabilisé

• Anneau de stockage basse énergie

• Photo-injecteurs très basse émittance et haute cadence

Contraintes techniques additionnelles : synchronisation électrons laser; radio-protection…

Performances attendues : Performances attendues : Flux spectral ; brillance

Flux : jusqu’à 1012 photons / s dans 10% BW

Brillance :

La source FPS peut fournir une ligne de lumière avec des spécifs réellement proches

de celles d’un synchrotron moderne (élément de déviation)

ComparaisonAimant ESRF

Autres avantages anticipés :Autres avantages anticipés :• Coût probable ~ 3 à 5 M€• Encombrement réduit (entre 50 et 100 m2)

installation possible en milieu médical, académique ou industriel (Ex : Le Louvre!)

• Possibilité d’atteindre des rayons X très durs (>> MeV)

• Zone émissive réduite possibilité d’imagerie « de contraste de phase »

Rupture technologique majeure Rupture technologique majeure par rapport au tandem par rapport au tandem

« tubes X / Synchrotron »« tubes X / Synchrotron »

Variantes possibles : anneau ERL, …

Quelques applications médicales espérées :Quelques applications médicales espérées :

Imagerie :Imagerie :- Imagerie à « contraste de phase »- Imagerie différentielle- Tomographie assistée par imagerie différentielle- Angiographie

Thérapie :Thérapie :- thérapie par activation photonique- thérapie par micro-faisceaux

Imagerie à “contraste de phase”

Courtesy G. Margaritondo

incohérentOmbre lisse basse résolution

cohérent

Spatialement

Franges de diffraction de FresnelRésolution apparente élevée

Phase spatiale aléatoireImage d’absorption pure

Image de « Phase »

Imagerie différentielle KImagerie différentielle K

• Introduction d’un agent de contraste de Z élevé : I, Gd, Pt, Xe… Flanc K de l’Iode

à 33.2 keV

Courtesy F. Carroll, MXIsystems

• Différence d’images prises à h= K + et h=K -

John Lewin, M.D.- University of Colorado Health Sciences Center:

Haute Energie - Basse Energie = Image de l’iode

Angiographie : investigation dynamique de la perfusion sanguine d’un cerveau de rat

tissue cerebral sain tumeur avancée à droite

Thérapie par activation photonique Thérapie par activation photonique

• Excitation sélective en présence d’un sensibilisateur de Z élevé

Probabilité élevée de rupture double-brin

Pourquoi des X monochromatiques en Pourquoi des X monochromatiques en radiothérapie?radiothérapie?

• Sensibilisateur Augmentation du dépôt de dose dans la tumeur, à irradiation donnée des tissus sains

• Pas de durcissement du faisceau X dose plus homogène

• Faisceau très collimaté délimitations franches des zones traitées

Mais : la chaîne d’évènements physiques/ chimiques/biologiques/médicauxreste extrêmement complexe et non maitrisée (N. Foray, ESRF/INSERM)

Besoins techniques :Besoins techniques :

• Flux : réaliste, même pour la thérapie • Energie de photon : 50 – 80 keV possibles• Divergence : souvent insuffisante• Monochromaticité : réglable• Compacité : adéquate• Radioprotection : difficile en France!• Couplage à l’ IMRT : difficile• Coût : reste cher pour des hopitaux français

Quelques applications industrielles :Quelques applications industrielles :

• Diffraction de protéines• Contrôle non destructif• Radiographie de métaux lourds

Quelques applications scientifiques :Quelques applications scientifiques :

• Usine à production de positrons polarisés• Usine à photoactivation, spectroscopie nucléaire…• SAXS

Conclusions :Conclusions :

• Rupture technologique, par le couplage entre techniques laser et accélérateurs compacts

• Source de rayons X équivalente à un aimant de déviation sur synchrotron (surtout pour h élevé)• Cible principale = applications médicales; de nombreuses autres applications scientifiques ou

industrielles sont probables• Espoir de construction d’un prototype en France• Etudes préalables en cours au LAL et au CELIA

Remerciements :Remerciements :

• CELIA : M-C Nadeau, S. Montant, S. Petit• LAL : F. Zomer, A. Variola, R. Roux, G.

Wormser…• LOA : N. Artemiev, A. Antonetti• Thales : S. Muller, JP Brasile…• ESRF-INSERM : H. Elleaume, J. Balosso, N.

Foray…• IGR : J. Bourhis, A. Bridier, …• Vanderbilt : F. Carroll