BE1012358A5

BE1012358A5 - Procede de variation de l'energie d'un faisceau de particules extraites d'un accelerateur et dispositif a cet effet.

Info

Publication number: BE1012358A5
Application number: BE9800913A
Authority: BE
Inventors: Yves Jongen; Vincent Poreye
Original assignee: Ion Beam Applic Sa
Priority date: 1998-12-21
Filing date: 1998-12-21
Publication date: 2000-10-03
Also published as: DE69925165D1; CA2354071A1; DE69925165T2; US6433336B1; EP1145605B1; CA2354071C; WO2000038486A1; AU1850700A; CN1203730C; EP1145605A1; JP2002533888A; CN1331903A; ATE295062T1

Abstract

La présente invention se rapporte à un dispositif destiné à permettre la variation de l'énergie d'un faisceau de particules extraites d'un accélérateur de particules, caractérisé en ce qu'il comprend un dégradeur d'énergie constitué essentiellement d'un bloc de matière dont l'épaisseur (E1 + E2) est variable de manière discrète par pas, l'espacement en énergie des pas étant variable et déterminé de manière que la variation de l'intensité du faisceau atteigne, à la frontière entre deux pas consécutifs, un maximum de 15 %, et de préférence un maximum de 10 %, de l'intensité maximale obtenue à la sortie de chacun des pas adjacents considérés.

Description


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   PROCEDE DE VARIATION DE L'ENERGIE D'UN FAISCEAU
DE PARTICULES EXTRAITES D'UN ACCELERATEUR
ET DISPOSITIF A CET EFFET   Obiet   de l'invention
La présente invention se rapporte à un procédé destiné à permettre la variation de l'énergie d'un faisceau de particules extraites d'un accélérateur de particules. 



   La présente invention se rapporte également au dispositif pour la mise en oeuvre du procédé et à diverses possibilités d'utilisation de ce procédé et/ou dispositif. 



  Etat de la technique
Certaines applications impliquant l'utilisation de faisceaux de particules chargées nécessitent en outre de faire varier rapidement l'énergie de ces particules. 



   Pour ce faire, une solution consiste à utiliser un accélérateur capable de produire, de manière intrinsèque, un faisceau de particules extrait dont l'énergie est variable. A cet égard, on peut proposer d'utiliser un accélérateur tel qu'un synchrotron capable de produire au sein même de cet accélérateur un faisceau de particules dont l'énergie est variable. Néanmoins, ce type 

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 d'accélérateur est relativement complexe à réaliser, et de ce fait plus coûteux et moins fiable que des accélérateurs de particules produisant des faisceaux d'énergie fixe comme les cyclotrons. 



   De ce fait, on a proposé d'équiper de tels accélérateurs à énergie fixe d'un dispositif ayant pour but de modifier les caractéristiques en énergie du faisceau, et ceci sur la trajectoire dudit faisceau extrait de l'accélérateur. Ces dispositifs se basent sur le principe bien connu selon lequel toute particule traversant un bloc de matière voit son énergie diminuer d'une quantité qui est, pour un type de particules donné, fonction des caractéristiques propres du matériau traversé et de son épaisseur. 



   Néanmoins, l'inconvénient principal de tels dispositifs, appelés également dégradeurs d'énergie, réside dans le fait que le bloc de matière détériore la résolution en énergie du faisceau dégradé. Ceci est dû à un phénomène appelé également phénomène de"straggling", qui génère une variation statique de plus ou moins 1, 5% en énergie. En proposant une face d'entrée et une face de sortie parallèles au sein du dégradeur d'énergie, on a tendance à réduire ce phénomène. 



   En outre, on observe que les caractéristiques optiques du faisceau traversant le dégradeur d'énergie sont également altérées. En particulier, un faisceau incident parallèle devient divergent à la sortie du dégradeur du fait de la diffusion multiple au sein du dégradeur. Ces inconvénients (augmentation de la divergence et de la dispersion en énergie) peuvent amener à une situation où l'émittance du faisceau est trop élevée pour rencontrer les contraintes d'émittance à l'entrée imposées par les éléments optiques du faisceau qui sont situés en aval le long de la ligne de transport du faisceau. 

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   Afin de résoudre ces problèmes, on a également proposé d'utiliser un aimant d'analyse disposé après le dispositif dégradeur, visant à n'accepter que l'énergie voulue pour une résolution prédéfinie, ceci à l'aide de fentes et de collimateurs prévus pour améliorer les caractéristiques optiques du faisceau dégradé. 



  Néanmoins, par l'utilisation de tels éléments, on observe que l'intensité du faisceau est encore réduite, provoquant également une activation importante des différents éléments. 



  But de l'invention
La présente invention vise à proposer un dispositif qui permettrait de faire varier l'énergie du faisceau extrait d'un accélérateur de particules à énergie fixe tout en maintenant les caractéristiques de dispersion en énergie et les qualités optiques du faisceau. Dans ce but, il est nécessaire de proposer un dispositif dont les faces d'entrée et de sortie restent parallèles. 



  Principaux éléments caractéristiques de l'invention
La présente invention se rapporte à un procédé destiné à permettre la variation de l'énergie d'un faisceau de particules extraites d'un accélérateur de particules à énergie fixe, dans lequel on interpose, sur le chemin du faisceau de particules extraites de l'accélérateur, un dégradeur d'énergie constitué essentiellement d'un bloc de matière dont l'épaisseur est variable de manière discrète par pas. L'épaisseur est définie comme la distance entre la face d'entrée et la face de sortie sur le bloc de matière. 



   De préférence, le dégradeur d'énergie présente des marches ou pas de largeur variable, la largeur d'une marche étant définie comme la distance entre deux 

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 marches successives. Cette largeur doit être ajustée de manière à être légèrement plus grande que le diamètre du faisceau à l'entrée ou à la sortie du dégradeur, ce qui signifie que la largeur desdites marches ou pas de grande épaisseur sera plus importante que la largeur desdites marches ou pas de faible épaisseur. 



   Le matériau constituant le dégradeur d'énergie doit présenter une forte densité et une faible masse atomique. Des exemples peuvent être le diamant, la poudre de diamant agglomérée ou le graphite. 



   Selon une forme d'exécution préférée, ce dégradeur est positionné à l'endroit où l'enveloppe du faisceau présente un étranglement   ("waist").   En outre, la courbure des faces d'entrée et de sortie du dégradeur, définie par la hauteur des marches ou pas discrets, est dessinée de manière que   le"waist"occupe toujours   pour chaque marche ou pas la position idéale par rapport aux faces d'entrée et de sortie sans qu'il soit nécessaire de modifier d'un pas à l'autre les paramètres de réglage de transport du faisceau et en particulier la position du "waist". 



   L'espacement en énergie des pas est variable et est déterminé de manière que la variation de l'intensité du faisceau atteigne à la frontière entre deux pas consécutifs un maximum de 15%, typiquement 10%, de l'intensité maximale obtenue à la sortie de chacun des deux pas successifs considérés. Ceci permet d'obtenir une variation continue de l'énergie malgré le fait que l'épaisseur varie de manière discrète. En effet, ceci est dû à la combinaison de la manière de calculer l'espacement en énergie entre les pas avec l'association d'un élément d'analyse. 



   De préférence, le dégradeur est monté sur une roue automatisée qui comprend également des éléments de 

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 diagnostic du faisceau tels que des moniteurs du profil du faisceau, des arrêts du faisceau, etc. 



   De manière classique, on pourra également associer à ce dégradeur d'énergie un aimant d'analyse. 



  Brève description des figures Les figures la et   Ib   représentent respectivement une vue en perspective et par le dessus d'un dégradeur d'énergie utilisé dans le procédé de variation d'énergie d'un faisceau de particules selon la présente invention, tandis que la figure   1c   représente un agrandissement d'une partie de la figure lb. 



  La figure 2 représente la variation de la densité du courant en fonction de l'énergie pour un faisceau de protons. 



  La figure 3 représente une vue globale d'un dispositif utilisé en protonthérapie mettant en oeuvre le procédé selon la présente invention. 



  Description détaillée d'une forme d'exécution préférée de l'invention
Les figures la et lb représentent un dégradeur utilisé dans le procédé selon la présente invention, constitué essentiellement d'un bloc de matière dont l'épaisseur est variable par pas de manière discrète. Ce dégradeur d'énergie permettra de déterminer de manière grossière la valeur de l'énergie souhaitée. Habituellement, on adjoindra à ce dégradeur d'énergie un aimant d'analyse situé en aval de ce dernier afin de permettre un réglage plus fin de la valeur de l'énergie désirée. 



   Ainsi que représenté à la figure   lc,   le dégradeur d'énergie selon l'invention a une forme en "escalier", pour lequel chaque pas   ou "marche" présente   une 

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 épaisseur différente correspondant à une variation d'énergie déterminée, l'épaisseur E étant définie comme la distance entre la face d'entrée et la face de sortie du faisceau de particules. La largeur L des marches successives est en outre variable, et est croissante en fonction de l'épaisseur desdits pas. Le troisième paramètre est la hauteur H d'un pas ou marche à l'autre. 



   Ce bloc d'épaisseur variable est de préférence présenté sous forme d'un anneau disposé sur une roue. Ceci permet de s'affranchir du caractère discret du dégradeur tout en maintenant un parallélisme des faces d'entrée et de sortie dudit dégradeur, ce qui permet de minimiser la dispersion en énergie du faisceau. 



   Cette roue est automatisée et contrôlée à distance de manière à placer, sur le chemin du faisceau incident, la partie du dégradeur (la"marche") dont l'épaisseur correspond à la perte d'énergie que l'on souhaite provoquer. 



   Avantageusement, le dégradeur est composé d'un matériau de masse atomique très faible et de densité élevée pour diminuer les effets de la diffusion multiple. 



   La localisation du dégradeur sur le chemin du faisceau a également une grande importance à cet égard. Dans ce but, pour --minimiser la contribution de la divergence induite par le dégradeur sur l'émittance du faisceau à la sortie, le dégradeur d'épaisseur variable sera localisé exactement à l'endroit où l'enveloppe du faisceau montre un étranglement (c'est-à-dire l'endroit où le faisceau présente l'extension spatiale la plus petite, endroit appelé le"waist").

   Le faisceau doit donc être focalisé dans le dégradeur, et chaque partie d'épaisseur variable du dégradeur,   c'est-à-dire chaque"marche"   correspondant à une diminution d'énergie donnée, est localisée en un endroit tel que la distance entre la face 

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 d'entrée de la marche et l'endroit de la focalisation du faisceau (c'est-à-dire le waist) correspond exactement à la distance qui minimise l'émittance de sortie du faisceau telle que calculée par les équations de transport et la théorie de la diffusion. 



   Un aspect important de la présente invention est donc que l'on ne modifie pas l'optique du faisceau, et en particulier la position du waist, en fonction de la variation d'énergie que l'on veut produire. Grâce à la courbure appropriée des faces d'entrée et de sortie (c'est- à-dire grâce à la forme   des "escaliers Il d'entrée   et de sortie), le waist reste statique dans l'espace et occupe toujours, pour chaque marche, la position idéale par rapport aux faces d'entrée et de sortie de la marche. 



   Avantageusement, on obtient également une variation en énergie de manière continue en disposant, selon une forme d'exécution préférée de l'invention, un aimant d'analyse en aval du dégradeur, ceci malgré le fait que l'épaisseur du dégradeur varie par pas discrets. Le principe est que, à cause de l'importante dispersion en énergie associée   au"straggling",   le dégradeur ne définira l'énergie que d'une manière grossière, le réglage fin se faisant en aval, à l'aide de l'aimant d'analyse. 



   De cette manière, il est possible de construire un dégradeur en"escalier"dont l'épaisseur varie de façon discrète, ce qui rend possible le parallélisme des faces d'entrée et de sortie de manière à minimiser la dispersion en énergie. 



   Lorsqu'un faisceau monoénergétique de protons traverse une épaisseur fixée de matière, la dispersion en énergie qui en résulte se traduit, à la sortie du bloc de matière, par un spectre en énergie de forme gaussienne, caractérisant la variation de la densité du courant (valeur In représentée à la figure 2, pour la"marche"n) en 

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 fonction de l'énergie. Cette gaussienne est centrée en une valeur de l'énergie (valeur En représentée à la figure 2, pour la"marche"n) qui correspond à l'énergie initiale diminuée de la quantité d'énergie perdue dans le matériau, telle que l'on peut la calculer à l'aide des tables de parcours (dites"table de range"). 



   Selon une forme d'exécution, le pas de la variation de l'énergie est déterminé de manière telle que la diminution de l'intensité du faisceau atteint un maximum de   x%     (typiquement 10%)   aux bords de chaque marche. 



  L'imposition de cette contrainte permet de calculer la limite supérieure en énergie Es pour une marche donnée, qui est également à la limite inférieure en énergie pour la marche suivante (figure 2). Un calcul itératif définit ainsi le nombre   de"marches"nécessaires   pour obtenir une variation continue de l'énergie entre les valeurs maximale (celle du faisceau extrait de l'accélérateur) et minimale (l'énergie la plus faible que l'on utilisera dans le cadre de l'application en question). 



   La figure 3 représente un schéma du dispositif en vue de son utilisation en protonthérapie. Il a été dimensionné de manière à permettre la variation continue, dans la gamme 70 MeV-230 MeV, de l'énergie d'un faisceau de protons d'énergie fixe (environ 230 MeV) produit par un cyclotron. 



   Le dispositif comprend le dégradeur 1 monté sur une roue automatisée et constitué de graphite. Il se compose de   154"marches".   On trouvera également sur cette roue des éléments de contrôle des caractéristiques du faisceau tels que des moniteurs du profil du faisceau 4 ainsi que des arrêts de faisceau 3. L'ensemble comprend en outre le bâti 6, des aimants de correction (5,"steering") et des câbles d'alimentation 2 en plus de quelques connecteurs.

Claims

REVENDICATIONS 1. Dispositif destiné à permettre la variation de l'énergie d'un faisceau de particules extraites d'un accélérateur de particules, caractérisé en ce qu'il comprend un dégradeur d'énergie constitué essentiellement d'un bloc de matière dont l'épaisseur (El + E2) est variable de manière discrète par pas, l'espacement en énergie des pas étant variable et déterminé de manière que la variation de l'intensité du faisceau atteigne, à la frontière entre deux pas consécutifs, un maximum de 15%, et de préférence un maximum de 10%, de l'intensité maximale obtenue à la sortie de chacun des deux pas adjacents considérés.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les faces d'entrée et de sortie au niveau de chaque pas discret du dégradeur d'énergie sont parallèles.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le dégradeur est positionné à l'endroit où l'enveloppe du faisceau présente un étranglement.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la courbure des faces qui constituent la hauteur (H) des pas discrets du dégradeur pour l'entrée et la sortie du dégradeur est dessinée de manière que l'endroit où l'enveloppe du faisceau présente un étranglement se positionne pour chaque pas de manière idéale par rapport aux faces d'entrée et de sortie.
5. Dispositif selon l'une quelconque des <Desc/Clms Page number 10> revendications précédentes, caractérisé en ce que le dégradeur présente des pas de largeur (L) variable, la largeur de chaque pas étant déterminée de manière à être légèrement plus grande que le diamètre du faisceau à l'entrée ou à la sortie du dégradeur.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la largeur (L) des pas est croissante en fonction de l'épaisseur desdits pas.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dégradeur est réalisé en une matière de forte densité et de faible masse atomique telle que le diamant, la poudre de diamant agglomérée, le graphite,...
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dégradeur est monté sur une roue automatisée.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la roue sur laquelle est monté le dégradeur présente des éléments de diagnostic du faisceau tels que des moniteurs du profil du faisceau et/ou des arrêts du faisceau.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on associe un dispositif d'analyse du faisceau tel qu'un aimant d'analyse au dégradeur d'énergie.
11. Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes pour faire varier l'énergie de manière quasi continue à la sortie d'un accélérateur de particules, et en particulier d'un accélérateur de particules à énergie fixe tel qu'un cyclotron.