La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

1 Les accélérateurs à champ fixe et gradient alterné FFAG (Fixed Field Alternating Gradient) et leur application médicale en protonthérapie. Présenté par.

Présentations similaires


Présentation au sujet: "1 Les accélérateurs à champ fixe et gradient alterné FFAG (Fixed Field Alternating Gradient) et leur application médicale en protonthérapie. Présenté par."— Transcription de la présentation:

1 1 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 Méot Jacques Balosso

2 2 1.Le projet RACCAM et les objectifs de ma thèse 2.Ecriture dun 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 dun aimant et dun anneau FFAG spiral 5.Définition des paramètres de lanneau FFAG médical et dynamique faisceau 6.Conclusion et perspectives Plan

3 3 1. Le projet RACCAM et les objectifs de ma thèse.

4 4 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 lapplication médicale des accélérateurs Financement de lAgence Nationale de la Recherche (ANR) pour 3 ans : février 2006 – février RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau

5 5 Partenaires et collaborateurs du projet RACCAM 1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau

6 6 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 détude de dynamique faisceau Etude de lapplication médicale des FFAG en protonthérapie (et hadronthérapie) : Conception dun schéma dinstallation de protonthérapie basée sur un anneau FFAG à focalisation invariante et à secteur spiral Prototypage dun aimant FFAG spiral de cet anneau 1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau

7 7 Mes objectifs de thèse Acquérir une formation médicale en radiothérapie et protonthérapie Elaborer un programme de calcul du dépôt de dose des protons dans leau Ecrire un cahier des charges médical pour la protonthérapie en collaboration avec les médecins radiothérapeutes Modéliser analytiquement le champ magnétique dun aimant FFAG spiral et implanter ce modèle dans un code de tracé de trajectoires Développer des outils automatiques détude de dynamique faisceau et de recherche des paramètres dun anneau FFAG Définir les paramètres dun anneau FFAG médical Participer à la modélisation magnétique 3D et à la conception de laimant 1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau

8 8 2. Ecriture dun cahier des charges médical pour la protonthérapie.

9 9 Radiothérapie en France 2003 : nouveaux cas de cancers, 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 dirradiation : Radiothérapie conventionnelle : électrons, rayons X Hadronthérapie : protons, ions légers (en projet) 1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau

10 10 Comment la radiothérapie tue les cellules Brisures de la molécule dADN (cellules saines et cancéreuses) : Ionisation du milieu par la particule incidente (mise en mouvement délectrons) Effet direct : interaction électron - ADN Effet indirect : radiolyse dune molécule deau par lélectron radicaux libres détériorant lADN Activation des mécanismes de réparation et de lapoptose : Si réparations possibles, la cellule survit Si réparations impossibles, mort cellulaire 1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau

11 11 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 déliminer les cellules cancéreuses en épargnant les tissus sains. 1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau

12 12 Avantage des protons par rapport aux rayons X Courbes de déposition de dose en fonction de la profondeur : Rayons X : maximum de dose à lentrée du canal dirradiation Protons (et ions légers) : maximum en forme de pic étroit, pic de Bragg Profondeur du pic de Bragg directement reliée à lénergie 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

13 13 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 dun pic de Bragg étalé (dose homogène) Développement dun programme de calcul du pic de Bragg étalé Permet lévaluation du nombre de protons nécessaires pour obtenir une dose dirradiation donnée 3.4x10 12 protons dans 1 L pour 5 Gy (1 Gy = 1 J/kg) Profondeur de pénétration (cm) 1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau

14 14 Cahier des charges médical en protonthérapie Irradiation « bunch to voxel » : Volume tumoral 10x10x10 cm 3 divisé en 8000 voxels Irradiation de chaque voxel par un paquet de protons Changement de profondeur, et dénergie, 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 : 3.4x10 12 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

15 15 3. Accélérateurs de particules FFAG à focalisation invariante et à secteur spiral.

16 16 Accélérateurs de particules LinéairesCirculaires Accélérateur délectrons médicalAccélérateur de protons médical RACCAM 1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau

17 17 Champ magnétique pour maintenir les particules sur une orbite de référence Accélérateurs circulaires : avantages des FFAG CyclotronsFFAGSynchrotrons Champ magnétique augmente pendant cycle daccélération Taux répétition limité (<100 Hz) débit de dose limité Energie dextraction variable Champ magnétique constant pendant cycle daccélération Taux répétition élevé (>100 Hz) pour fort débit de dose Energie dextraction variable : soit variation global du champ, soit kick synchronisé Champ magnétique constant pendant cycle daccélération Mode continu pour fort débit de dose Energie dextraction fixe énergie variable : dégradeur + système sélection énergie 1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau

18 18 Focalisation dans les FFAG Focalisation pour maintenir les particules autour de lorbite de référence Focalisation forte Champs de signes opposés : gradient alterné (FFAG radial) Focalisation de coin assurée par les faces de laimant (FFAG spiral) Mouvement bêtatron : oscillations des particules autour de lorbite accélérée dans plans horizontal et vertical Nombres donde Q h, Q v : nombre doscillations par révolution machine Stabilité : Q h, Q v éloignés de mQ h + nQ v = p, p 3 (m,n,p entiers) FFAG à focalisation invariante : Q h, Q v constants avec énergie Réduction diamètre machine Faces spirales : 1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau

19 19 4. Outils de modélisation et de simulations numériques pour la conception dun aimant et dun anneau FFAG spiral

20 20 Modèle de champ magnétique Champ magnétique dans le plan z = 0 17 MeV 180 MeV Les particules spiralent vers lextérieur pendant leur accélération k = 5.00 ζ = 53.7° 1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau

21 21 Nombres donde FFAG spiral (approximation) Q v dépend du flutter F 2, de la forme des champs de fuite et de lentrefer (gap) Q v constant avec lénergie pour entrefer linéaire Q v augmente avec lénergie pour entrefer à faces parallèles Q v augmente fortement avec lénergie pour « gap shaping » Nombres donde 1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau

22 22 1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau Technologie « gap shaping » permet détablir la loi de champ le plus facilement : Méthode choisie pour le prototypage daimant Chanfrein variable et plaques de garde ajustables pour réduction ΔQ V Technologie choisie

23 23 Outils de modélisation et simulations Implantation du modèle de champ magnétique dans le code de tracé de trajectoire Zgoubi : modèle «FFAG-SPI» Développement doutils automatiques : détude de dynamique faisceau : orbite fermée, nombres donde, ouvertures dynamiques (dimensions maximales des faisceaux) de recherche des paramètres optima dune optique FFAG spiral : variation de (k,ζ) pour varier (Q h,Q v ) Aboutissement : modélisation magnétique TOSCA 3D ( ΣΦ / LPSC) pour les paramètres optima de loptique : 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

24 24 5. Définition des paramètres de lanneau FFAG médical et dynamique faisceau.

25 25 Nombre de cellules / daimants N > 8 : systèmes injection, extraction, accélération et diagnostics Facteur de remplissage magnétique : 0.3 < p f < 0.45 : sections droites longues pour insertion systèmes injection, extraction Champ magnétique maximum à lénergie dextraction 180 MeV B z0 > 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 lanneau 1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau

26 26 Nombres dondes 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

27 27 Paramètres de lanneau et de laimant RACCAM Technologie« gap shaping » Nombre de cellules N10 Champ max B z0 (180 MeV)1.7 T Indice géométrique k5.00 Angle spiral ζ 53.7° Facteur de remplissage p f 0.34 Rayons min/max trajectoire2.78 / 3.48 m Entrefer min/max40 / 116 mm Angle de déviation36° Forme culasseParallélépipède Dimensions LxlxH*3.37 x 0.71 x 1.13 m Poids du prototype*18 t Tension153 V Courant225 A Puissance du prototype*34.5 kW 1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau * non optimisé

28 28 Dynamique faisceau : modèle « FFAG-SPI » Nombres donde 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

29 29 Fonctionnement à énergie variable : modèle TOSCA 3D Fonctionnement à énergie variable (variation globale du champ magnétique) : Rayons dinjection et dextraction restent les mêmes pour les différents modes daccélération Changement en énergie changement global du champ magnétique dans les aimants variation courant dans les bobines Mode (% courant max pour 180MeV) Energie dinjection / extraction Champ magnétique max 100 %17 / 180 MeV1.71 T 90 %13 / 157 MeV1.59 T 80 %11 / 130 MeV1.43 T 70 %9 / 102 MeV1.25 T 60 %6 / 76 MeV1.07 T 1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau

30 30 Fonctionnement à énergie variable : dynamique faisceau (1) (carte TOSCA) Dimension de la zone de bon champ limitée : Présence dun épaulement (injection) et dun grossissement démittance (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

31 31 Traversée de résonance aux modes basse énergie (ici 6 – 76 MeV) : Traversée de la résonance de couplage Q h – 2Q v = 0 (près de 9 MeV) Cause : diminution du nombre donde 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 F 2 et le nombre donde vertical 1. RACCAM 2. Protonthérapie 3. Accélérateurs FFAG 4. Conception aimant 5. Paramètres anneau Fonctionnement à énergie variable : dynamique faisceau (2) (carte TOSCA)

32 32 6. Conclusion et perspectives.

33 33 Conclusion 1 : Schéma de principe dune installation de protonthérapie basée sur un anneau FFAG spiral Cavité accélératrice Aimant RACCAM Cyclotron injecteur H - (AIMA) Ligne dinjection Ligne dextraction

34 34 Conclusion 2 : Construction de laimant RACCAM pour mesures magnétiques Culasse* Bobine Entrefer * Plaques de garde non installées

35 35 Conclusion 2 : Construction de laimant RACCAM pour mesures magnétiques (suite) Chanfrein variable Pôle magnétique * Plaques de garde non installées

36 36 Ecriture dun cahier des charges médical pour la protonthérapie Développement de modèles de champ magnétique FFAG spiral Mise au point doutils automatiques détude de dynamique faisceau et de recherche de paramètres dun anneau Recherche des spécifications de lanneau et de laimant FFAG spiral Conception magnétique 3D de laimant en collaboration avec ΣΦ Paramètres et schéma de principe dune installation de protonthérapie Bilan des travaux de thèse

37 37 Mesures magnétiques (en cours) Poursuite du design magnétique 3D de laimant FFAG : Augmentation gamme en énergie 17 – 230 MeV : entrefer à faces parallèles avec courants polaires, méthode hybride : parallèle / « gap shaping » Excursion nombre donde vertical : loi radiale dangle spiral ζ(r), plaques de garde actives, recherche zone libre du diagramme Traversée de résonance : ajustement du flutter, fonctionnement régime linéaire (B z0 < 1.5 T) Etude des effets des défauts pour définir les tolérances Optimisation dimensions / poids / puissance de laimant Etudes des systèmes dinjection, extraction et daccélération Poursuite du projet RACCAM : avant projet simplifié dune installation de protonthérapie / hadronthérapie basée sur technologie FFAG Perspectives

38 38 Merci de votre attention !


Télécharger ppt "1 Les accélérateurs à champ fixe et gradient alterné FFAG (Fixed Field Alternating Gradient) et leur application médicale en protonthérapie. Présenté par."

Présentations similaires


Annonces Google