Accélérateurs : applications et nouvelles techniques Projets d'accélérateurs liés aux  Sources de rayonnement synchrotron  Nouvelles techniques d'accélération  Applications 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 aux sources de rayonnement synchrotron  50 sources de lumière dans le monde dont  20 de 3e génération basées sur des anneaux de stockage 8 en construction (SOLEIL, DIAMOND, ...) plusieurs en projet dans le même temps se développent les sources de 4e 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

Accélérateurs : applications aux sources de rayonnement synchrotron Configurations des Lasers à Electrons Libres (LEL) "SASE" (Self Amplified Spontaneous Emission) modulator disp radiator LEL oscillateur "HGHG" (High Gain Harmonic Generation) faisceaux e- faibles émittance (1 p mm.mrad) et dispersion en énergie des onduleurs très longs (100 m pour  = 1 Å) exigent longueurs d'ondes très courtes (pas de miroirs) avec linac 10-20 GeV l < 1 nm jusqu'à 0,1 nm impulsions très brèves (compression de paquets) permettent

Accélérateurs : applications aux sources de rayonnement synchrotron Les sources de 4e génération en service et en projet Projet Labo Pays Type Mode LEL E [GeV] l [nm] Situation TTF II DESY D SC SASE 1 6 En construction X FEL 25 0.1 APD, 60% financé BESSY FEL BESSY 2.25 1.2 APD SPARC-X Frascati I RT 2.5 1.5 APS + Prototype financé FERMI ELETTRA HGHG 3 APS 4GLS Daresbury GB 0.6 10 ARC-EN-CIEL France F 0.7 0.8 LCLS SLAC USA 14 0.15 APD, financé CHESS Cornell 5 100 APS + APD prototype IRFEL JLAB Osc/ERL 0.2 En opération LUX Berkeley MIT Bates 4 0.3 SCSS KEK J 3.6 JAERI FEL Tokai 0.017 Fonctionne KAERI Corée K 0.04

Accélérateurs : applications aux sources de rayonnement synchrotron X-Ray ~109 106 by FEL gain 103 by e- quality long undulators Sept . 2000 Sept . 2001

Accélérateurs : applications aux sources de rayonnement synchrotron Qualités de faisceau primordiales ex. Effet de l'émittance sur la Saturation dans LCLS P = P0 eN = 1.2 mm P = P0/100 eN = 2.0 mm

Accélérateurs : applications aux sources de rayonnement synchrotron Source de bonne émittance Accélération rapide pour éviter la dilution de charge d'espace laser beam electron beam Ipk  50-100 A Q  1 nC eN  2 mm Ex. TTF2 Photo cathode CsTe Coupleur HF coaxial Gradient cathode 40 MV/m Dissipation maximum 27 kW Emittance @1 nC < 2 p mm.mrad R&D sur le laser pour reproductibilité améliorations ● gradient  60 MV/m ● pulse laser rectangulaire

Accélérateurs : applications aux sources de rayonnement synchrotron Rayonnement Synchrotron Cohérent (CSR) e– R sz Rayonnement cohérent pour l > sz génère dispersion en énergie  L0 l DE/E = 0 effet dispersif Dx = R16(s)DE/E grossissement d'émittance DE/E < 0 s Dx Schémas de compensation BC1 (TTF 2) BC2 (TTF 2) LCLS

Résultats Saturation SASE Accélérateurs : applications aux sources de rayonnement synchrotron LEUTL APS/ANL 385 nm September 2000 Résultats Saturation SASE TTF-FEL DESY 98 nm VISA ATF/BNL 840 nm March 2001

Accélérateurs : applications aux sources de rayonnement synchrotron MINI Dispersion Section wiggler NISUS 800 nm 266nm harmonic 3 BNL/DUV-FEL Expérience HGHG Wavelength (nm) Intensity (a.u.) HGHG 0.23 nm FWHM SASE x105 Comparaison spectres de HGHG et SASE (non saturé) à 266 nm avec mêmes conditions de faisceau e-

Accélérateurs : applications aux sources de rayonnement synchrotron LCLS : X-FEL basé sur 1 km du linac SLAC existant 2 compressors one undulator 1.5-15 Å

Accélérateurs : applications aux sources de rayonnement synchrotron TTF2 Tesla Test Facility (DESY) Linac de 1 GeV, supraconducteur, pulsé 1993 CDR TTF1, développement de la technologie "TESLA" 2000 faisceau 240 MeV, SASE à 120-80 nm, saturation 2004 commissioning de TTF2 en cours, avec 5 cryomodules 2005 820 MeV, SASE ~ 10 nm, premières expériences "utilisateur" 820 MeV

Accélérateurs : applications aux sources de rayonnement synchrotron TESLA X-FEL (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) • l ~ 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

Accélérateurs : applications aux sources de rayonnement synchrotron Le projet ARC-EN-CIEL Énergie : 700 MeV Injection : 10 MeV Charge/paquet : 1 nC Emittance : 2 p.mm.mrad source de rayonnement accordable, cohérent et de polarisation ajustable jusqu’à 1 keV (X-mous) 120-10 nm 20 nm 10 Hz - 10 kHz Ti:Sa 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

Accélérateurs : applications aux sources de rayonnement synchrotron Le projet ARC-EN-CIEL Brillance crête → ARC-EN-CIEL PHASE I permet de tester la génération d’harmoniques dans l’UV lointain avec la possibilité de synchronisation avec des lasers conventionnels Laser l l/3 220 MeV 200 nm 66 nm Demande de financement SESAME en 2005 ?

Accélérateurs : applications aux sources de rayonnement synchrotron Conclusions 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) 6 Activités Photo-canons et injecteurs (leader INFN, Rome) Dynamique de faisceau (leader CCLRC-Daresbury) Synchronisation (leader : ELETTRA, Trieste) « Seeding » et génération d’harmoniques (Leader Max-Lab, Lund) Linacs supraconducteurs CW et quasi-CW (Leader BESSY, Berlin) Transfert de technologie des cryomodules (Leader DESY, Hambourg) 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 ?

Accélérateurs : nouvelles techniques d'accélération Limitation des accélérateurs actuels Plot de Livingston : effet de saturation limitation pratique : coût par GeV !!!  machines circulaires B ~ 10 Tesla Rayonnement synchrotron (e-)  machines linéaires (technologie RF) E ~ 100 MV/m (~ 50 MV/m pour SC)  Besoin de nouveaux concepts technologie qui semble la plus prometteuse accélération basée sur les PLASMAS Gradients 100 MV/m → 150 GV/m accélérateurs ultra-compacts Etudes et expériences depuis ~ 20 ans mais progrès décisifs ces dernières années avènement de lasers puissants, pulses ultra-courts, rendement  20% pompé par diodes

Accélérateurs : nouvelles techniques d'accélération Avantages 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 LULI pulse laser focalisé dans un jet de gaz 100 MeV sur 1 mm '98 160 GV/m Rutherford Lab 100 MeV sur 0,6 mm

Accélérateurs : nouvelles techniques d'accélération Schémas d'excitation des Ondes Plasma wp ~ Dw Lasers  Battement d’ondes avant utilisation lasers puissants, ultra-courts modulation de l'enveloppe du pulse laser  train de pulses résonants courts  Sillage laser Forces pondéromotrices ~ grad   laser ~ 200 fs pour ne=1017 cm-3  rendement laser  Sillage plasma requiert faisceau énergétique (SLAC) énergie fournie par faisceau primaire  Sillage laser auto-modulé requiert laser puissant, pulses longs Non linéaire (Instabilité Raman) Sillage laser forcé : compression pulse laser par dispersion vitesse de groupe lp ~ c  Laser lp ~ c  Faisceau e+ ou e- Laser lp < c 

Accélérateurs : nouvelles techniques d'accélération Expérience au SLAC : Sillage plasma par faisceau d'e- Amplitude ∝ Nb / σz2 Final Focus Test Beam LINAC 3 km e-/e+ queue tête Expérience E-162 paquet 2 ps   = 279 MeV longueur plasma = 1,4 m

“Advanced Accelerator Concept Workshop” (Juin 2004) Accélérateurs : nouvelles techniques d'accélération Présenté au Workshop “Advanced Accelerator Concept Workshop” (Juin 2004) Expérience E-164 paquet << ps   = 4 GeV sur 10 cm schéma Afterburner pour ILC 4 GV/m 500 GeV / faisceau → 1 TeV sur 125 m paquets pilotes + paquets de production

SLAC-UCLA-USC-Berkeley Accélérateurs : nouvelles techniques d'accélération Résumé des résultats expérimentaux Mécanisme Labos Gain Energie Champ Acc Longueur Acc Battemt Ondes UCLA, LULI, Canada, ILE 1 à 30 MeV 1 GV/m 1 à 10 mm Sillage Laser LULI 1.5 MeV 2 mm Sillage Plasma SLAC-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 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)

Accélérateurs : nouvelles techniques d'accélération Workpackage 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 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

Accélérateurs : nouvelles techniques d'accélération La prochaine étape en France pourrait être B. Cros 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

Accélérateurs : applications au médical Faisceaux 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 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)

Accélérateurs : applications au médical Motivations Accélérateurs : applications au médical  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 médical Contrôle 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)  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 ?  possibilité dosimétrie in situ (caméra TEP) pour ions Carbone (émission de positons)

Accélérateurs : applications au médical 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

CPO Accélérateurs : applications au médical nouvelle machine bras isocentrique machine actuelle salle Y1 4e salleY3 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€ salle Y2 budget total ~ 23.5 – 25.5 M€ maîtrise d'oeuvre déléguée aux industriels avec contribution IN2P3 / DAPNIA pour APS, APD et rédaction cahier des charges, appels d'offres et suivi de réalisation

Accélérateurs : applications au médical Les ions Carbone Accélérateurs : applications au médical période pionnière : 75-93 (Berkeley) 1200 patients traités par faisceaux d'ions légers 1994 : ouverture à Chiba (Japon) 1er centre dédié au 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 médical Les projets en France Accélérateurs : applications au médical 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 cardiologique futur hôpital Mère-Enfants Centre régional de lutte contre le cancer Léon Bérard hôpital E. Herriot pôle d'imagerie médicale et Centre TEP (CERMEP) Hôpital de la Croix-Rousse Hôpitaux Neuro. & Cardio Futur Hôpital Mère-Enfant CERMEP Centre L. Bérard Hôpital E. Herriot Hôpital département du Vinatier BRON Futur Hôpital privé J.Mermoz ETOILE Hôpitaux Lyon-Sud

Accélérateurs : applications au médical ASCLEPIOS s'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 APD maître d'ouvrage = structure médicale regroupant CHU-CLCC maîtrise d'œuvre = GANIL campus Côte de Nacre campus Jules Horowitz campus médical

Accélérateurs : applications au médical Spécifications 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 12C 50 - 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 / déversement 1 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

intensité requise = 125 A en C Accélérateurs : applications au médical Choix des options techniques accélérateur & lignes faisceau de conception classique design 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) SuperNanogan intensité requise = 125 A en C

Accélérateurs : applications au médical ETOILE scénario salle avec gantry Arrêt faisceau Extraction résonante avec septum Salles de test & radiobilogie Injection multi-tours 7 MeV/u Salles de traitement faisceau fixe H Synchrotron "PIMMS" RFQ & Linac Salles de traitement avec gantry Palier 0,2 à 8,7 s Injection et accélération  0,7 s Fin de cycle  0,5 s "gating" Déversement 0,2 à 4 s Sources ions ECR Cycle machine → déclenchement déversement par signal pour tumeurs mobiles

Accélérateurs : applications au médical Conclusions  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)