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WO1999003314A1 - Cyclotron compact et son utilisation en proton therapie - Google Patents

Cyclotron compact et son utilisation en proton therapie Download PDF

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WO1999003314A1
WO1999003314A1 PCT/FR1998/001467 FR9801467W WO9903314A1 WO 1999003314 A1 WO1999003314 A1 WO 1999003314A1 FR 9801467 W FR9801467 W FR 9801467W WO 9903314 A1 WO9903314 A1 WO 9903314A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cyclotron
source
electromagnet
magnetic field
poles
Prior art date
Application number
PCT/FR1998/001467
Other languages
English (en)
Inventor
André LAISNE
Claude Bieth
Original Assignee
Pantechnik
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pantechnik filed Critical Pantechnik
Priority to AU85454/98A priority Critical patent/AU8545498A/en
Publication of WO1999003314A1 publication Critical patent/WO1999003314A1/fr

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H13/00—Magnetic resonance accelerators; Cyclotrons

Definitions

  • the present invention relates to a cyclotron in which the proton beam to be accelerated is created by a cyclotron resonance (ECR) source.
  • ECR cyclotron resonance
  • the present invention relates more particularly to a cyclotron in which the cyclotron resonance source (ECR), placed in the center of the cyclotron, directly uses the magnetic field of the cyclotron itself.
  • ECR cyclotron resonance source
  • the present invention also relates to an application of the cyclotron to proton therapy.
  • Cyclotrons are ionized particle accelerators which are among the most compact and efficient accelerators in energy ranges up to 600 MeV for protons. Ionized particles generally describe a spiral of increasing radius during acceleration.
  • the cyclotrons generally comprise five major components: the source, which generates the ionized particles, the device for the vacuum containment of the ionized particles, the electromagnet which produces the magnetic field ensuring the guidance of the ionized particles, the high-frequency accelerator system intended for accelerate the ionized particles, the device for extracting the ionized particles making it possible to deflect them from their acceleration trajectory and then to evacuate them out of the cyclotron in the form of a beam with high kinetic energy for later use.
  • the source which generates the ionized particles
  • the device for the vacuum containment of the ionized particles the electromagnet which produces the magnetic field ensuring the guidance of the ionized particles
  • the high-frequency accelerator system intended for accelerate the ionized particles
  • the device for extracting the ionized particles making it possible to deflect them from their acceleration trajectory and then to evacuate them out of the cyclotron in the form of a beam with high kinetic energy for later use.
  • cyclotrons whose poles of the electromagnet are surrounded by a set of circular coils which generate the magnetic field of the electromagnet.
  • the cyclotron When the magnetic field is applied over the entire trajectory of the ionized particle, the cyclotron is called a compact cyclotron.
  • These coils can be made of a material which, at very low temperatures, has superconductive properties. This material is immersed in liquid helium in order to be sufficiently cooled to exhibit superconductive properties. To limit heat loss and helium consumption, the assembly is placed in a second enclosure cooled with liquid nitrogen.
  • the average inductions thus obtained can be high, for example between 1, 7 and 5 T
  • the cryogenic system intended to cool the coils of these cyclotrons comprises on the one hand, the two enclosures described above, intended to contain liquid nitrogen and helium, which are surrounded by '' a vacuum enclosure, the assembly constituting a cryostat, and on the other hand, a system external to the cyclotron intended to liquefy these two gases
  • This cryogenic system presents risks of use, because the least impurity contained in the liquid helium risk of disturbing the conditions required for the superconductive material to effectively exhibit superconductive properties As soon as these conditions are disturbed, the superconductor loses its superconductive properties and under the effect of the electric current which passes through it, heats up and thus vaporizes the helium environment which can then cause the cryostat to explode
  • the cyclotron cryostat is fitted with a safety valve surmounted by an inflatable balloon allowing the recovery of vaporized helium Nevertheless, the installation of such cyclotrons in
  • cyclotrons use sources placed vertically across the cylinder head of the cyclotron. These sources include a filament and various equipment whose lifespan is limited to a few hundred hours.
  • a device for a sliding vacuum rod is provided on the top of the cyclotron.
  • An airlock device also allows the source to be removed without having to return the entire cyclotron to the air. But this device then requires a pumping operation and establishment of the high-frequency voltage whose duration is more or less long.
  • Proton therapy also requires being able to quickly stop the proton beam, either to change the energy or the position thereof, or to take radiographic images, or for safety reasons.
  • the present invention therefore aims to solve the technical problems of the prior art by means of a cyclotron of reduced weight and dimensions, whose energy consumption is minimal and which presents a simplified extraction system
  • a compact cyclotron comprising an ion source, a vacuum confinement device, an electromagnet, a high-frequency accelerator system and an extraction system according to the invention.
  • the ion source is a cyclotron resonance (ECR) source, using the magnetic field of the cyclotron itself, placed in the center of the confinement device and the poles of the electromagnet are surrounded by coils using, superconductive materials having superconductive properties at a temperature between 20 K and 40 K
  • the cyclotron according to the present invention being a compact cyclotron, the person skilled in the art therefore deduces that there reigns, at its center, a magnetic field
  • the present invention also consists in using this magnetic field, prevailing in the center of the cyclotron , in an ECR source, without the addition of any magnetic field generating means, such as, for example, permanent magnets, which would be liable to create another magnetic field which can be used by the source.
  • the present invention differs greatly by introducing into the center of a cyclotron, an ECR source having its own magnetic field
  • the cyclotron resonance source directly uses the magnetic field of the cyclotron which forms a "magnetic bottle".
  • the hydrogen atoms are ionized inside this "magnetic bottle", in which we also create a high frequency electromagnetic field which ensures the cyclotronic resonance of the source.
  • the ions thus created are then extracted from the source by the accelerator system.
  • ECR sources contain neither filament nor cathode, the energy necessary for the ionization of gases or solids to be accelerated is created by the association of a confining magnetic field and a high-frequency electromagnetic field. As the ECR sources have an unlimited lifetime, they require no maintenance and are placed permanently inside the cyclotron and then sealed under vacuum.
  • the source can be checked out for review.
  • the cyclotron being intended for use in proton therapy, the ionized particles to be produced are therefore protons; the gas to be ionized introduced into the source is hydrogen.
  • the cyclotron resonance source has characteristics that are better suited than those of conventional sources.
  • the cryogenic system used comprises a cryogenerator operating according to a cycle and having a number of stages adapted to a range of temperatures going from 20 K to 40 K to produce an optimal refrigerating power.
  • the cryogenic system can comprise a cryogenerator operating, for example, according to a Stirling cycle.
  • a cryogenerator operating, for example, according to a Stirling cycle.
  • the dimensions of the cyclotron are considerably reduced as well as its weight (two hundred and ten tonnes currently compared to ninety-two tonnes for the present invention) Due to the simplification of the cryogenic system, the characteristics of weight and volume d '' such a cyclotron allow it to be used easily in hospital buildings, without the need to design a special building, or to modify the structures of existing buildings Any other type of cryogenerator capable of providing the required temperature conditions can also be used According to an advantageous characteristic, the electromagnet is made up of two spiral magnetic poles equipped with sectors forming sometimes narrow sometimes sometimes wide gaps The magnetic spiral sectors of the compact cyclotron have an elliptical profile as previously described, allowing to maintain constant the vertical component of induction over the entire radial acceleration zone
  • the superconductive coils use high temperature superconductors and the electromagnet produces a central magnetic field whose intensity is between 1.9 T and 2.2 T
  • the induction is deliberately reduced to a value between 1.9 T and 2.2 T so as to keep the component of the magnetic field perpendicular to the coil constant
  • the source directly using the magnetic field of the cyclotron the cyclotron resonance is, in the case of a cyclotron operating with a magnetic field having an intensity within the aforementioned range, advantageously obtained for a frequency of 56 GHz
  • the generator high frequency used to obtain cyclotronic resonance therefore has a frequency of 56 GHz and a power of a few tens of watts
  • the cyclotron comprises a simplified proton ejection device comprising a single electrostatic deflector, the electric field of which is limited to 140 kV / cm over a length of 40 cm and a magnetostatic channel external to the poles
  • the electrostatic deflector and the magnetostatic channel are arranged at an angle limited to 140 °. This arrangement allows the extraction of the protons according to a angle limited to 140 ° between the outlet of the deflector and the entry of the beam into the magnetostatic channel.
  • Another object of the invention is a use of the preceding cyclotron in the medical field, in particular for proton therapy.
  • the sources with cyclotron resonance (ECR) have an unlimited lifespan and are of a use much more flexible than the sources.
  • ECR cyclotron resonance
  • These cyclotron resonance sources have their own magnetic field located in their housing. They are generally used to produce multi-charged ionized particles. Their main application is ion implantation, that is to say, the implantation of ionized particles in various materials (generally silicon) allowing the production of electronic components. They are also commonly used for research.
  • FIG. 1 shows schematically the "magnetic bottle” used for the ECR source.
  • - Figure 2 shows a top view in the median plane showing the main constituents of the cyclotron
  • - Figure 3 shows a vertical section of a cyclotron according to the present invention
  • FIG. 4 shows a particular view of the ECR source in the central region.
  • FIG. 1 the axis of revolution of the magnetic bottle 10 allowing the accumulation and the extraction of the protons which is represented by field lines, is identical to the axis of the cyclotron itself.
  • the ECR source is introduced along this same axis.
  • the hills 21 are all attached to a central magnetic piece 24, centered on the previously defined axis.
  • An embodiment of the cyclotron according to the present invention is shown diagrammatically in FIG. 2.
  • This cyclotron comprises a vacuum confinement device mainly consisting of a magnetic yoke 2, in which the air gaps consisting of magnetic hills 21 and magnetic valleys 22.
  • the ECR source, 1, is placed in the center of the yoke 2.
  • the high-frequency acceleration system 3 which comprises two electrodes 31 and 32, each placed on two supports respectively, 33 and 34, 35 and 36, is placed in the valleys and is connected to the power amplifier by a magnetic coupling loop followed by a coaxial connecting cable
  • the high-frequency power of the system acceleration 3 is brought by the two openings 43 and 44
  • the cryogenerator 7 comprising a cryogenic pump is connected to the coils by the cryogenic pumping inlet hole 71, piercing the cylinder head 2 and ending in the valleys 22 by the openings 72 and 73, the panels 74 and 75 of the cryogenic pump of the cryogenerator are also visible
  • a sliding internal beam measurement rod 6 makes it possible to measure the intensity of the beam from the center to the extraction radius
  • the protons are electrostatically extracted by deflection thanks to the extraction device 4 comprising the electrostatic channel 41 for extracting the beam
  • the electrostatic channel 41 for extracting the beam water describes a limited arc
  • the protons are deviated from their circular trajectory there and then pass into
  • FIG. 3 represents a sectional view along the median plane of a cyclotron according to the present invention
  • the part situated on the right representing the coils is a vertical section made along a hill
  • the left part, representing the acceleration system is a section made according to an electrode of said acceleration system
  • the different elements are contained in the magnetic yoke 2
  • the superconductive coils 23 are capable of operating at a temperature between 20K and 80K, and are used in the invention between 20K and 40K
  • These coils are of essentially circu laires are contained in a thermal envelope 25, supported by a support 26 and connected to the cryogenic system 7 for reheating coils by the cryogenic pumping hole 71
  • this system is a cryogenic generator comprising a cryogenic pump, simple to use, operating according to a Stirling cycle
  • the ECR source 1, placed in the center of the cyclotron is connected to a high-frequency amplifier 9 by a link wave guide 8 connecting the source 1 to amplifier 9, so as to obtain a cyclotron resonance
  • the high frequency acceleration system 3 comprises, as is conventionally the case, a high frequency resonator 39 comprising two electrodes 31 and 32 as well as a ground return 38.
  • the electrodes 31 and 32 of this acceleration system 3 are each connected to a high-frequency generator, not shown in the figure, by the inlet orifices, 43 and 44, of the high-frequency power.
  • the acceleration system is placed near the source.
  • a section along the electrode 31 makes it possible to represent the opening 37 of the electrode.
  • the central field is fixed at a value between 1.9T and 2.2T
  • the high-frequency amplifier 9 has a frequency of 56 GHz for a power of about 20 W.
  • the two poles of the cyclotron 27 and 28, are constituted by the surface of the hills the closer to the median plane of the cyclotron, which is fixed to a part of the cylinder head 2 serving as its support.
  • the assembly formed by the part of the cylinder head 2 serving to support the hills situated above the median plane and the surface facing the median plane, of each of the hills situated above the median plane, forms the upper pole.
  • the assembly formed by the part of the cylinder head 2 serving to support the hills, situated under the median plane and the surface facing the median plane of each of the hills situated under the median plane forms the lower pole.
  • FIG 4 shows in more detail the ECR source comprising a body 1 1, an extraction cone 12 where is located the extraction port 13 of the ions.
  • the gas to be ionized in the present case hydrogen, is supplied by the gas supply capillary 14, connected to the source body by the connector 15.
  • the protons are extracted from the source by the extraction orifice 13 of the beam.
  • Outside the cyclotron is attached a high precision valve (not shown) allowing very precise regulation of the flow of hydrogen which is introduced into the source.
  • the ECR source 1 is connected to a high frequency amplifier by means of the extension 16 of the waveguide which is under vacuum and connected to the source body by the connector 19.
  • the power of the high frequency amplifier is brought to through waveguide 17 to the body of source 11.
  • the source is placed under vacuum thanks to the pressurization window 18 located on the extension 16 of the waveguide.

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Abstract

La présente invention concerne un cyclotron compact comportant, de façon classique, une source d'ions (1), un dispositif de confinement sous vide, un électroaimant, un système accélérateur haute-fréquence (3) et un système d'extraction (41, 42). De façon caractéristique, la source d'ions est une source à résonance cyclotronique (ECR), utilisant le champ magnétique du cyclotron lui-même, placée au centre du dispositif de confinement, les pôles de l'électroaimant étant entourés par des bobines utilisant des matériaux supraconducteurs présentant des propriétés supraconductrices à une température comprise entre 20 K et 40 K.

Description

CYCLOTRON COMPACT ET SON UTILISATION EN PROTON THÉRAPIE
La présente invention concerne un cyclotron dans lequel le faisceau de protons à accélérer est créé par une source à résonance cyclotronique (ECR).
La présente invention concerne plus particulièrement un cyclotron dans lequel la source à résonance cyclotronique (ECR), placée au centre du cyclotron, utilise directement le champ magnétique du cyclotron lui-même. La présente invention concerne également une application du cyclotron à la proton thérapie.
Les cyclotrons sont des accélérateurs de particules ionisées qui sont parmi les plus compacts et les plus efficaces des accélérateurs dans des domaines d'énergie pouvant aller jusqu'à 600 MeV pour des protons. Les particules ionisées décrivent en général une spirale de rayon croissant au cours de l'accélération.
Les cyclotrons comprennent généralement cinq composants majeurs : la source, qui génère les particules ionisées, le dispositif de confinement sous vide des particules ionisées, l'électroaimant qui produit le champ magnétique assurant le guidage des particules ionisées, le système accélérateur haute-fréquence destiné à accélérer les particules ionisées, le dispositif d'extraction des particules ionisées permettant de les dévier de leur trajectoire d'accélération puis de les évacuer hors du cyclotron sous forme d'un faisceau à haute énergie cinétique pour les utiliser par la suite.
Il existe des cyclotrons dont les pôles de l'électroaimant sont entourés par un ensemble de bobines circulaires qui génèrent le champ magnétique de l'électroaimant. Lorsque le champ magnétique est appliqué sur toute la trajectoire de la particule ionisée, le cyclotron est appelé cyclotron compact. Ces bobines peuvent être réalisées avec un matériau qui à très basse température présente des propriétés supraconductrices. Ce matériau est immergé dans de l'hélium liquide afin d'être suffisamment refroidi pour présenter des propriétés supraconductrices. Pour limiter les pertes thermiques et la consommation d'hélium, l'ensemble est placé dans une deuxième enceinte refroidie à l'azote liquide. Les inductions moyennes ainsi obtenues peuvent être élevées, par exemple entre 1 ,7 et 5 T Le système cryogénique destiné à refroidir les bobines de ces cyclotrons comporte d'une part, les deux enceintes décrites précédemment, destinées à contenir l'azote et l'hélium liquides, qui sont entourées d'une enceinte sous vide, l'ensemble constituant un cryostat, et d'autre part, un système externe au cyclotron destiné à liquéfier ces deux gaz Ce système cryogénique présente des risques d'utilisation, car la moindre impureté contenue dans l'hélium liquide risque de perturber les conditions requises pour que le matériau supraconducteur présente effectivement des propriétés supraconductrices Dès que ces conditions sont perturbées, le supraconducteur perd ses propriétés supraconductrices et sous l'effet du courant électrique qui le traverse, s'échauffe et vaporise ainsi l'hélium environnant qui peut alors provoquer l'explosion du cryostat En général, le cryostat du cyclotron est muni d'une soupape de sécurité surmontée d'un ballon gonflable permettant la récupération de l'hélium vaporisé Néanmoins, l'installation de tels cyclotrons en milieu hospitalier est difficilement concevable non seulement pour des questions d'encombrement dû au système cryogénique et notamment au ballon (un ballon de 400 litres est nécessaire en général) mais aussi, et surtout pour des raisons évidentes de sécurité
Une technique de réalisation, décrite dans les documents des gième et ιo'®me Conférence Internationale sur les Cyclotrons et leurs Applications (IEEE 1981 pp 203-208 et IEEE 1984 pp 89-93), décrit un cyclotron dont les pôles de l'électroaimant sont spirales et équipés de secteurs formant des entrefers tantôt étroits (collines), tantôt larges (vallées) La forme pratiquement elliptique des profils d'entrefers des collines et des vallées, permet de maintenir constante la composante verticale de l'induction sur l'ensemble de la zone radiale d'accélération, alors que celle-ci décroît avec le rayon dans le cas classique d'entrefers uniformes Le champ magnétique moyen du cyclotron est croissant depuis le centre jusqu'au rayon où s'effectue l'extraction et assure l'isochronisme de la particule accélérée , un tel cyclotron est appelé un cyclotron isochrone
L'utilisation de bobines supraconductrices d'induction élevée, jusqu'à 5 T, permet de réduire la taille du cyclotron de façon importante et de supprimer toute consommation d'énergie mais, elle rend difficile voir impossible, l'extraction des ions, malgré le nombre important de dispositifs annexes susceptibles d'être mis en oeuvre.
Par ailleurs, l'importance de ces inductions ne permet pas toujours l'utilisation de supraconducteurs de la nouvelle génération à haute température (température de fonctionnement comprise entre 25K et 80K), car ces supraconducteurs ne supportent pas de telles inductions.
Les cyclotrons actuels utilisent des sources placées verticalement à travers la culasse du cyclotron. Ces sources comportent un filament et divers équipements dont la durée de vie est limitée à quelques centaines d'heures. Afin de pouvoir remplacer la source quand celle-ci n'est plus en état de fonctionner, un dispositif de canne coulissante sous vide, dont la longueur dépend de l'épaisseur de la culasse est prévu sur le dessus du cyclotron. Un dispositif de sas permet également de sortir la source sans avoir à remettre l'ensemble du cyclotron à l'air. Mais ce dispositif nécessite ensuite une opération de pompage et d'établissement de la tension haute-fréquence dont la durée est plus ou moins longue.
Les sources actuellement utilisées dans les cyclotrons compacts n'ayant pas une durée de vie suffisante ne peuvent que difficilement être utilisées dans le domaine médical. Les changements de source fréquents nécessitent en effet un personnel qualifié et représentent une perte de temps considérable. De plus chaque faisceau dépendant de la source qui l'a émis, il est très difficile de retrouver exactement le même faisceau avant et après le changement de source. Ceci présente en fait un très gros inconvénient dans le domaine médical où, le faisceau doit conserver des caractéristiques précises et constantes pendant les traitements.
De récentes avancées technologiques ont permis d'envisager l'utilisation des cyclotrons dans le domaine médical, et notamment pour pratiquer la proton thérapie, permettant ainsi de soigner, par exemple, les tumeurs cancéreuses et les angiomes du cerveau. Le principe de la proton thérapie consiste à détruire les tumeurs en les bombardant avec des protons accélérés. L'énergie dissipée lors du choc entre les cellules de la tumeur et les protons accélérés est absorbée par la cellule qui est ainsi détruite. Néanmoins la taille et le poids des cyclotrons actuels (deux cent dix tonnes pour le seul cyclotron) nécessitent de construire des bâtiments spéciaux dont la structure est capable de les accueillir, ce qui augmente considérablement le prix du traitement. Les problèmes de maintenance dus en particulier au système cryogénique utilisant de l'hélium et de l'azote liquide et à la source nécessitant une main d'oeuvre qualifiée ainsi que la consommation énergétique importante sont des facteurs qui contribuent à augmenter encore le coût de la proton thérapie
La proton thérapie nécessite aussi de pouvoir rapidement arrêter le faisceau de protons, soit pour changer l'énergie ou la position de celui-ci, soit pour prendre des clichés radiographiques, soit pour des raisons de sécurité La présente invention a donc pour but de résoudre les problèmes techniques de l'art antérieur au moyen d'un cyclotron de poids et de dimensions réduites, dont la consommation énergétique est minimale et qui présente un système d'extraction simplifié
Ce but est atteint, selon l'invention, au moyen d'un cyclotron compact comportant une source d'ions, un dispositif de confinement sous vide, un électroaimant, un système accélérateur haute-fréquence et un système d'extraction Selon l'invention, la source d'ions est une source à résonance cyclotronique (ECR), utilisant le champ magnétique du cyclotron lui-même, placée au centre du dispositif de confinement et les pôles de l'électro-aimant sont entourés par des bobines utilisant, des matériaux supraconducteurs présentant des propriétés supraconductrices à une température comprise entre 20 K et 40 K
Le cyclotron selon la présente invention étant un cyclotron compact, l'homme de métier en déduit donc qu'il règne, en son centre, un champ magnétique La présente invention consiste, en outre, à utiliser ce champ magnétique, régnant au centre du cyclotron, dans une source ECR, sans adjonction d'aucun moyen générateur de champ magnétique, comme, par exemple, des aimants permanents, qui serait susceptible de créer un autre champ magnétique utilisable par la source De par cette caractéristique, la présente invention se distingue fortement du fait d'introduire au centre d'un cyclotron, une source ECR possédant son champ magnétique propre
Le fait de ne pas utiliser de moyens spécifiques pour générer le champ magnétique destiné à la source, mais d'utiliser le champ magnétique du cyclotron lui-même, permet de simplifier les problèmes de géométrie centrale du cyclotron par une réduction des équipements installés (aimants permanents et structure mécanique) et de faciliter la réalisation du système d'extraction des ions créés dans la source.
Dans le cyclotron de la présente invention, la source à résonance cyclotronique (ECR) utilise, en effet directement le champ magnétique du cyclotron qui forme une « bouteille magnétique ». Les atomes d'hydrogène sont ionisés à l'intérieur de cette « bouteille magnétique », dans laquelle on crée aussi un champ électromagnétique haute fréquence qui assure la résonance cyclotronique de la source. Les ions ainsi créés sont ensuite extraits de la source par le système accélérateur. Les sources ECR ne comportent ni filament ni cathode, l'énergie nécessaire à l'ionisation des gaz ou des solides à accélérer est créée par l'association d'un champ magnétique de confinement et d'un champ électromagnétique haute-fréquence. Les sources ECR ayant une durée de vie illimitée, elles ne requièrent aucune maintenance et sont placées de façon fixe à l'intérieur du cyclotron puis scellées sous vide. Lors des opérations de grande maintenance du cyclotron, lors desquelles, la culasse du cyclotron étant composée de deux demi-culasses, une demi- culasse est levée par des vérins hydrauliques de façon à ménager un accès libre au niveau du plan médian du cyclotron, la source peut être extraite pour révision. Dans notre cas, le cyclotron étant destiné à un usage en proton thérapie, les particules ionisées à produire sont donc des protons ; le gaz à ioniser introduit dans la source est de l'hydrogène. Compte tenu de ce qui précède, la source à résonance cyclotronique présente des caractéristiques mieux adaptées que celles des sources classiques.
L'utilisation de supraconducteurs à haute température, permet de réduire considérablement la puissance consommée par l'appareil entier, de supprimer le système cryogénique utilisant de l'hélium et de l'azote liquide et de le remplacer par un système cryogénique plus simple. Avantageusement, le système cryogénique utilisé comporte un cryogénérateur fonctionnant selon un cycle et ayant un nombre d'étages adaptés à une gamme de températures allant de 20 K à 40 K pour produire une puissance frigorifique optimale.
Le système cryogénique peut comporter un cryogénérateur fonctionnant, par exemple, selon un cycle de Stirling. Un tel mode de réalisation permet un gain de 220 kW et ne nécessite plus aucun système pour évacuer la puissance dissipée Les dimensions du cyclotron sont considérablement réduites ainsi que son poids (deux cent dix tonnes actuellement contre quatre-vingt douze tonnes pour la présente invention) Du fait de la simplification du système cryogénique, les caractéristiques de poids et de volume d'un tel cyclotron lui permettent d'être utilisé facilement dans des bâtiments hospitaliers, sans nécessité de concevoir un bâtiment spécial, ou de modifier les structures des bâtiments existants Tout autre type de cryogénérateur susceptible de fournir les conditions de température requises peut aussi être utilisé Selon une caractéristique avantageuse, l'électroaimant est constitué de deux pôles magnétiques spirales équipés de secteurs formant des entrefers tantôt étroits tantôt larges Les secteurs magnétiques spirales du cyclotron compact ont un profil elliptique comme précédemment décrit, permettant de maintenir constante la composante verticale de l'induction sur l'ensemble de la zone radiale d'accélération
Selon une autre caractéristique avantageuse, les bobines supraconductrices utilisent des supraconducteurs haute température et l'électroaimant produit un champ magnétique central dont l'intensité est comprise entre 1 ,9 T et 2,2 T L'induction est volontairement réduite à une valeur comprise entre 1 ,9 T et 2,2 T de façon à maintenir constante la composante du champ magnétique perpendiculaire à la bobine
Comme précédemment indiqué, la source utilisant directement le champ magnétique du cyclotron, la résonance cyclotronique est, dans le cas d'un cyclotron fonctionnant avec un champ magnétique ayant une intensité comprise dans la gamme précitée, avantageusement obtenue pour une fréquence de 56 Ghz Le générateur haute fréquence utilisé pour obtenir la résonance cyclotronique a donc une fréquence de 56 GHz et une puissance de quelques dizaines de watts
Selon une caractéristique avantageuse, le cyclotron comporte un dispositif simplifié d'éjection des protons comprenant un seul déflecteur électrostatique, dont le champ électrique est limité à 140 kV/cm sur une longueur de 40 cm et un canal magnétostatique externe aux pôles
Selon une autre caractéristique avantageuse, le déflecteur électrostatique et le canal magnétostatique sont disposés selon un angle limité à 140° Cette disposition permet l'extraction des protons selon un angle limité à 140° entre la sortie du déflecteur et l'entrée du faisceau dans le canal magnétostatique.
Un autre objet de l'invention est une utilisation du cyclotron précédent dans le domaine médical, en particulier pour la proton thérapie Les sources à résonance cyclotronique (ECR) ont une durée de vie illimitée et sont d'une utilisation beaucoup plus souple que les sources classiques. Ces sources à résonance cyclotronique possèdent leur propre champ magnétique situé dans leur boîtier. Elles sont généralement utilisées pour produire des particules ionisées multichargées. Leur principale application est l'implantation ionique, c'est-à-dire, l'implantation de particules ionisées dans divers matériaux (en général du silicium) permettant la réalisation de composants électroniques. Elles sont aussi couramment utilisées pour la recherche.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre accompagnée des dessins sur lesquels,
- la figure 1 représente de manière schématique la « bouteille magnétique » utilisée pour la source ECR.
- la figure 2 représente une vue de dessus dans le plan médian montrant les principaux constituants du cyclotron ; - la figure 3 représente une coupe verticale d'un cyclotron suivant la présente invention ;
- la figure 4 représente une vue particulière de la source ECR dans la région centrale.
Sur la figure 1 , l'axe de révolution de la bouteille magnétique 10 permettant l'accumulation et l'extraction des protons qui est représentée par des lignes de champ, est identique à l'axe du cyclotron lui-même. La source ECR est introduite suivant ce même axe. Les collines 21 sont toutes attachées à une pièce magnétique centrale 24, centrée sur l'axe précédemment défini. Un mode de réalisation du cyclotron selon la présente invention est représenté schématiquement sur la figure 2. Ce cyclotron comprend un dispositif de confinement sous vide constitué principalement d'une culasse magnétique 2, dans laquelle se trouvent insérés les entrefers consistant en des collines magnétiques 21 et des vallées magnétiques 22. La source ECR ,1 , est placée au centre de la culasse 2. Le système haute-fréquence d'accélération 3 qui comprend deux électrodes 31 et 32, placées chacune sur deux supports respectivement, 33 et 34, 35 et 36, est placé dans les vallées et est relié à l'amplificateur de puissance par une boucle de couplage magnétique suivie d'un câble coaxial de liaison La puissance haute-fréquence du système d'accélération 3 est amenée par les deux ouvertures 43 et 44 Le cryogénérateur 7 comportant une pompe cryogénique est relié aux bobines par le trou d'arrivée du pompage cryogénique 71 , transperçant la culasse 2 et aboutissant dans les vallées 22 par les ouvertures 72 et 73 , les panneaux 74 et 75 de la pompe cryogénique du cryogénérateur sont également visibles Une canne de mesure du faisceau interne coulissante 6 permet de mesurer l'intensité du faisceau depuis le centre jusqu'au rayon d'extraction Les protons sont extraits électrostatiquement par déviation grâce au dispositif d'extraction 4 comprenant le canal électrostatique d'extraction 41 du faisceau Le canal électrostatique d'extraction 41 du faisceau décrit un arc de cercle limité Les protons y sont déviés de leur trajectoire circulaire et passent ensuite dans le canal d'extraction 42 du faisceau constitué d'une portion d'arc de cercle et d'un tube rectiligne aboutissant hors du cyclotron L'entrée du canal électrostatique 41 et l'entrée du canal d'extraction 42 sont décalées d'un angle de 140° La figure 3 représente une vue en coupe selon le plan médian d'un cyclotron suivant la présente invention La partie située à droite représentant les bobines est une coupe verticale faite selon une colline , la partie de gauche, représentant le système d'accélération, est une coupe faite selon une électrode dudit système d'accélération Les différents éléments sont contenus dans la culasse magnétique 2 Les bobines supraconductrices 23 sont susceptibles de fonctionner à une température comprise entre 20K et 80K,et sont utilisées dans l'invention entre 20K et 40K Ces bobines sont de formes essentiellement circulaires sont contenues dans une enveloppe thermique 25, soutenues par un support 26 et reliées au système cryogénique 7 de mise en température des bobines par le trou de pompage cryogénique 71 Dans le cas de supraconducteurs à haute température, ce système est un générateur cryogénique comprenant une pompe cryogénique, d'utilisation simple, fonctionnant selon un cycle de Stirling La source ECR 1 , placée au centre du cyclotron est reliée à un amplificateur haute-fréquence 9 par un guide d'onde de liaison 8 reliant la source 1 à l'amplificateur 9, de façon à obtenir une résonance cyclotronique. Le système d'accélération haute fréquence 3 comprend, comme cela est classiquement le cas, un résonateur haute-fréquence 39 comportant deux électrodes 31 et 32 ainsi qu'un retour de masse 38. Les électrodes 31 et 32 de ce système d'accélération 3 sont chacune reliées à un générateur haute-fréquence, non représenté sur la figure, par les orifices d'arrivée, 43 et 44, de la puissance haute-fréquence. Le système d'accélération est placé à proximité de la source. Une coupe selon l'électrode 31 permet de représenter l'ouverture 37 de l'électrode. Dans le cas de la présente invention, le champ central est fixé à une valeur comprise entre 1.9T et 2.2T, l'amplificateur haute-fréquence 9 a une fréquence de 56 GHz pour une puissance d'environ 20 W. La source ayant une durée de vie illimitée, elle est introduite de façon fixe, sous vide, à l'intérieur du cyclotron, par le canal d'introduction de la source 29. Les deux pôles du cyclotron 27 et 28, sont constitués par la surface des collines la plus proche du plan médian du cyclotron, laquelle est fixée sur une partie de la culasse 2 lui servant de support. L'ensemble formé par la partie de la culasse 2 servant de support aux collines située au- dessus du plan médian et la surface faisant face au plan médian, de chacune des collines situées au-dessus du plan médian, forme le pôle supérieur. De même, l'ensemble formé par la partie de la culasse 2 servant de support aux collines, située sous le plan médian et la surface faisant face au plan médian de chacune des collines situées sous le plan médian, forme le pôle inférieur. La figure 4 représente plus en détail la source ECR comportant un corps 1 1 , un cône d'extraction 12 où se situe l'orifice d'extraction 13 des ions. Le gaz à ioniser, dans le cas présent de l'hydrogène est amené par le capillaire 14 d'amenée du gaz, raccordé sur le corps de source par le raccord 15. Les protons sont extraits de la source par l'orifice d'extraction 13 du faisceau. A l'extérieur du cyclotron est fixée une vanne de haute précision (non représentée) permettant de réguler très précisément le débit d'hydrogène qui est introduit dans la source. La source ECR 1 est reliée à un amplificateur haute fréquence par l'intermédiaire du prolongement 16 du guide d'onde qui est sous vide et raccordé au corps de source par le raccord 19. La puissance de l'amplificateur haute- fréquence est amenée à travers le guide d'onde 17 jusqu'au corps de source 11. La source est mise sous vide grâce à la fenêtre de pressurisation 18 située sur le prolongement 16 du guide d'onde.

Claims

Revendications
1 Cyclotron compact comportant une source d'ions (1 ) , un dispositif de confinement sous vide , un électroaimant , un système accélérateur haute-fréquence (3) , et un système d'extraction (41 ,42) , caractérisé en ce que ladite source d'ions est une source à résonance cyclotronique (ECR), utilisant le champ magnétique du cyclotron lui- même, placée au centre dudit dispositif de confinement et en ce que les pôles de l'électroaimant sont entourés par des bobines utilisant des matériaux supraconducteurs présentant des propriétés supraconductrices à une température comprise entre 20 K et 40 K
2 Cyclotron selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le système cryogénique (7) est constitué d'un cryogénérateur fonctionnant selon un cycle de Stirling
3 Cyclotron selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'électroaimant est constitué de deux pôles magnétiques spirales équipés de secteurs formant des entrefers (21 ) tantôt étroits tantôt larges (22)
4 Cyclotron selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'électroaimant produit un champ magnétique central dont l'intensité est comprise entre 1 ,9T et 2,2T
5 Cyclotron selon la revendication 4, caractérisé en ce que la résonance cyclotronique est obtenue pour une fréquence de 56 GHz
6 Cyclotron selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le système d'extraction comporte un déflecteur électrostatique (41 ) dont le champ électrique est limité à 140KV/cm sur une longueur de 40cm et un canal magnétostatique (42) externe aux pôles
7. Cyclotron selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le déflecteur électrostatique (41 ) et le canal magnétostatique (42) sont disposés selon un angle limité à 140°.
8. Utilisation du cyclotron selon l'une des revendications précédentes dans le domaine médical en particulier pour la proton thérapie.
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