Accélérateurs : applications et nouvelles techniques

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1 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

2 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

3 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 GeV l < 1 nm jusqu'à 0,1 nm impulsions très brèves (compression de paquets) permettent

4 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

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

6 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

7 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  A Q  1 nC eN  2 mm Ex. TTF2 Photo cathode CsTe Coupleur HF coaxial Gradient cathode 40 MV/m Dissipation maximum 27 kW nC < 2 p mm.mrad R&D sur le laser pour reproductibilité améliorations ● gradient  MV/m ● pulse laser rectangulaire

8 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

9 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

10 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-

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

12 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 nm, saturation 2004 commissioning de TTF2 en cours, avec 5 cryomodules MeV, SASE ~ 10 nm, premières expériences "utilisateur" 820 MeV

13 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, nm (1er harmonique 0.05 nm) Coût  700 M€ 60% financé par Allemagne (Etat + Région) Le reste à trouver avec partenaires européens

14 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) nm 20 nm 10 Hz - 10 kHz Ti:Sa LEL oscillateur ( 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

15 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 ?

16 Accélérateurs : applications aux sources de rayonnement synchrotron
Conclusions Encore beaucoup de R&D nécessaire Contrat européen (Design Study) EUROFEL accepté  classé No 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 ?

17 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

18 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 ' GV/m Laser 100 TW du LULI pulse laser focalisé dans un jet de gaz 100 MeV sur 1 mm ' GV/m Rutherford Lab 100 MeV sur 0,6 mm

19 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 

20 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

21 “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

22 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 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)

23 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

24 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

25 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)

26 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 = MeV/u pour ions C

27 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)

28 Accélérateurs : applications au médical
Irradiation par protons : ~ 20 centres opérationnels plus de 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

29 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 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

30 Accélérateurs : applications au médical
Les ions Carbone Accélérateurs : applications au médical période pionnière : (Berkeley) 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 ( ) PIMMS (Protons Ions Medical Machine Study) + autres projets Med-Austron (Autriche) Karolinska (Suède)

31 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

32 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

33 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 MeV / u C 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 C+6 / déversement 1 x p / déversement Disponibilité annuelle > 97 % Nombre de patients traités : 1000 / an (objectif) Qualité – Fiabilité : prioritaire Salles de traitement : 3 15 sessions/patient + 1 salle études radiobioliques & tests Diagnostics : IRM, TEP, scanner X

34 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

35 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

36 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 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)