EP0853867B1 - Methode d'extraction de particules chargees hors d'un cyclotron isochrone et dispositif appliquant cette methode - Google Patents

Methode d'extraction de particules chargees hors d'un cyclotron isochrone et dispositif appliquant cette methode Download PDF

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EP0853867B1
EP0853867B1 EP96931694A EP96931694A EP0853867B1 EP 0853867 B1 EP0853867 B1 EP 0853867B1 EP 96931694 A EP96931694 A EP 96931694A EP 96931694 A EP96931694 A EP 96931694A EP 0853867 B1 EP0853867 B1 EP 0853867B1
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sectors
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    • 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
    • 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
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/10—Arrangements for ejecting particles from orbits

Definitions

  • the present invention relates to a method for extracting charged particles from a cyclotron isochronous in which the particle beam is focused by sectors.
  • the present invention also relates to said isochronous cyclotron applying this method of extraction of charged particles.
  • the present invention also relates to compact isochronous cyclotrons than focused cyclotrons by sectors. Likewise, the present invention relates to isochronous cyclotrons known as superconductive or not superconductors.
  • Cyclotrons are particle accelerators used in particular for the production of isotopes radioactive. These cyclotrons usually consist of two separate main sets, consisting on the one hand by the electromagnet and on the other hand by the high resonator frequency.
  • the electromagnet guides the particles loaded on a trajectory presenting approximately a spiral of increasing radius around the acceleration.
  • the poles of electromagnets are divided into sectors alternately presenting a reduced air gap and a larger air gap.
  • Variation azimuth of the resulting magnetic field has the effect ensure the vertical and horizontal focus of the beam during acceleration.
  • isochronous cyclotrons it is advisable to distinguish the compact type cyclotrons, which are energized by at least one main circular coil, and the so-called separate sector cyclotrons, where the structure magnetic is divided into completely separate units autonomous.
  • the second set consists of the electrodes accelerators, frequently called “gods" for reasons historical.
  • a voltage is thus applied to the electrodes alternative of several tens of kilovolts at the frequency of rotation of the particles in the magnet, or alternatively at a frequency which is an exact multiple of the frequency of rotation of the particles in the magnet. This has the effect to accelerate the particles of the rotating beam in the cyclotron.
  • This operation is considered by those skilled in the art as the most difficult step in producing a particle beam accelerated by a cyclotron.
  • This operation consists in bringing the beam from the part from the magnetic field where it is accelerated to where the magnetic field can no longer hold the beam. In this case, the beam is free to escape the action of the field and is extracted from the cyclotron.
  • cyclotrons accelerating positive particles produce higher beam current intensities, and increase the reliability of the system, and while allowing strong reduction in size and weight of the machine.
  • Document US-A-0324379 relates to a cyclotron type device intended to accelerate particles which has magnetic means being essentially independent of the azimuth angle. This means that it is a non-isochronous cyclotron.
  • the cyclotron described has beam extraction means which consist of “regenerators” and “compressors”, which allow, in disturbing the magnetic field, to obtain an extraction of the beam of particles.
  • the present invention aims to propose a method for extracting charged particles from a cyclotron isochronous avoiding the use of devices extraction as described above.
  • An additional aim of the present invention is to therefore to propose an isochronous cyclotron which is of simpler and more economical design than those usually used.
  • the present invention also aims to increase the extraction efficiency of the particle beam, and particularly in the case of extraction of positive particles.
  • the present invention relates to a method for extracting charged particles from a cyclotron isochronous comprising an electromagnet constituting the circuit magnetic which includes a number of pairs of sectors called “hills” where the air gap is reduced, separated by spaces in the form of sectors called “valleys” where the air gap is larger; this method being characterized by the fact that a cyclotron is produced isochronous with a magnet gap between the hills including the dimensions are chosen so that the minimum value of this air gap in the vicinity of the maximum radius between the hills be less than twenty times the gain in radius by round of particles accelerated by the cyclotron at this radius.
  • the air gap that the magnet is in generally between 5 and 20 cm, while the gain in radius per revolution is approximately 1 mm. In this case, the report of the air gap in radius gain per turn is greater than 50.
  • the magnetic field decreases very abruptly near the limit of the magnet pole, so that the point of self-extraction is reached before the phase shift of the particles relative to the accelerating voltage does not reach 90 degrees. In this way, the particles automatically exit the magnetic field without intervention of any device extraction.
  • the extraction of particles is concentrated on a sector thanks to a dissymmetry deliberately brought to the shape or magnetic field of said sector.
  • the angle of one of the sectors is reduced at the polar radius to allow movement of the orbits and thus get the extraction of the whole beam on this side, so, for example, to be able to irradiate a large volume target.
  • a particular distribution is carried out of the particle beam so as to simultaneously irradiate several targets mounted side by side on the trajectory of the beam.
  • the present invention advantageously makes it possible to be used for proton therapy or the production of radioisotopes, and more particularly of radioisotopes intended to positron emission tomography (PET).
  • PET positron emission tomography
  • the profile of the magnetic field in an isochronous cyclotron is such that the frequency of rotation of the particles must be constant and independent of their energy. To compensate for the relativistic increase in mass of the particles, the magnetic field must therefore increase with the radius to ensure this condition of isochronism.
  • Figure 1 illustrates the variation of the field in function of the radius in a classical isochronous cyclotron.
  • Figure 2 illustrates the variation of the field in function of the radius in an isochronous cyclotron using the extraction method according to the present invention.
  • An isochronous cyclotron as used in the method of extracting charged particles according to the present invention is shown schematically in the figures 3 and 4.
  • This cyclotron is a compact isochronous cyclotron intended for the acceleration of positive particles, and more especially protons.
  • the coils 6 are essentially shaped circular, and are located in the annular space left between sectors 3 or 3 'and flow returns 5.
  • the central duct is intended to receive at least part of the source of particles 7 to be accelerated. These particles are injected into the center of the device by means known per se.
  • the magnet For an isochronous cyclotron accelerating a beam of protons up to an energy of 11 MeV, the magnet is drawn, according to the present invention, with an air gap of 10 mm for a magnetic field of 2 teslas on the sectors magnetic 3 and 3 '.
  • the accelerating voltage is 80 kilovolts so as to obtain a radius gain of 1.5 mm at maximum radius.
  • one reduces the angle of one of the sectors at the polar radius so as to allow us to move the orbits and obtain the extraction of the whole beam on this side (see figure 4).
  • the extracted particle beam is then axially focused and radially defocused.
  • this beam profile for simultaneous irradiation of four targets located between the two coils 6 mounted side by side on the beam path.

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Description

Objet de l'invention.
La présente invention se rapporte à une méthode d'extraction de particules chargées hors d'un cyclotron isochrone dans lequel le faisceau de particules est focalisé par secteurs.
La présente invention se rapporte également audit cyclotron isochrone appliquant cette méthode d'extraction de particules chargées.
La présente invention se rapporte aussi bien aux cyclotrons isochrones compacts qu'aux cyclotrons focalisés par secteurs. De même, la présente invention se rapporte aux cyclotrons isochrones dits supraconducteurs ou non supraconducteurs.
Etat de la technique.
Les cyclotrons sont des accélérateurs de particules utilisés en particulier pour la production d'isotopes radioactifs. Ces cyclotrons se composent habituellement de deux ensembles principaux distincts, constitués d'une part par l'électro-aimant et d'autre part par le résonateur haute fréquence.
L'électro-aimant assure le guidage des particules chargées sur une trajectoire présentant approximativement une spirale de rayon croissant autour de l'accélération. Dans les cyclotrons modernes de type isochrone, les pôles d'électroaimants sont divisés en secteurs présentant alternativement un entrefer réduit et un entrefer plus grand. La variation azimutale du champ magnétique qui en résulte a pour effet d'assurer la focalisation verticale et horizontale du faisceau au cours de l'accélération.
Parmi les cyclotrons isochrones, il convient de distinguer les cyclotrons de type compact, qui sont énergétisés par au moins une bobine circulaire principale, et les cyclotrons dits à secteurs séparés, où la structure magnétique est divisée en unités séparées entièrement autonomes.
Le second ensemble est constitué par les électrodes accélératrices, appelées fréquemment "dées" pour des raisons historiques. On applique ainsi aux électrodes une tension alternative de plusieurs dizaines de kilovolts à la fréquence de rotation des particules dans l'aimant, ou alternativement à une fréquence qui est un multiple exacte de la fréquence de rotation des particules dans l'aimant. Ceci a pour effet d'accélérer les particules du faisceau tournant dans le cyclotron.
Pour de nombreuses applications utilisant un cyclotron, il est nécessaire d'extraire le faisceau de particules accélérées hors du cyclotron, et de le guider jusqu'à une cible où on souhaite l'utiliser. Cette opération d'extraction du faisceau est considérée par l'homme de l'art comme l'étape la plus difficile dans la production d'un faisceau de particules accélérées au moyen d'un cyclotron. Cette opération consiste à amener le faisceau de la partie du champ magnétique où il est accéléré jusqu'à l'endroit où le champ magnétique ne parvient plus à retenir le faisceau. Dans ce cas, le faisceau est libre d'échapper à l'action du champ et est extrait hors du cyclotron.
Dans le cas de cyclotrons accélérant des particules chargées positivement, on connaít l'utilisation d'un déflecteur électrostatique dont le rôle est de tirer les particules hors du champ magnétique comme dispositif d'extraction. Pour obtenir un tel effet, il est nécessaire d'interposer sur le chemin des particules une électrode appelée le septum, qui interceptera une partie de ces particules. De ce fait, le rendement d'extraction est relativement limité, et la perte en particules dans le septum contribuera notamment à rendre le cyclotron fortement radioactif.
Il est également connu d'extraire des particules chargées négativement en effectuant une conversion des ions négatifs en ions positifs en faisant passer ceux-ci à travers une feuille qui a pour fonction de dépouiller les ions négatifs de leurs électrons. Cette technique permet des rendements d'extraction proches de 100% et permet également l'utilisation d'un dispositif nettement moins complexe que celui décrit précédemment. Néanmoins, l'accélération des particules négatives présente quant à elle des difficultés importantes. Le principal inconvénient réside dans le fait que les ions négatifs sont fragiles, et sont de ce fait facilement dissociés par des molécules de gaz résiduelles ou par des champs magnétiques excessifs traversés à haute énergie et présents dans le cyclotron. La transmission du faisceau dans l'accélérateur est donc limitée, ce qui contribue aussi à l'activation de ce dernier.
A l'opposé, les cyclotrons accélérant des particules positives permettent de produire de plus hautes intensités de courant de faisceaux, et augmentent la fiabilité du système, et tout en permettant une forte réduction de la taille et du poids de la machine.
Il est également connu par le document "The review of Scientist Instruments, 27 (1956), n° 7" et par le document "Nuclear Instruments and Methods 18, 19 (1962), pp. 41-45" de J. Reginald Richardson, une technique selon laquelle le faisceau de particules aurait pu être extrait du cyclotron sans l'utilisation d'un dispositif d'extraction. Les conditions requises pour obtenir cette auto-extraction sont des conditions particulières de résonnance du mouvement des particules dans le champ magnétique.
Néanmoins, cette méthode décrite est particulièrement difficile à réaliser, et aurait donné un faisceau dont les qualités optiques étaient tellement mauvaises qu'en pratique, elle n'a jamais été appliquée.
Le document US-A-0324379 se rapporte à un dispositif du type cyclotron destiné à accélérer des particules qui possède des moyens magnétiques étant essentiellement indépendants de l'angle azimutal. Ceci signifie qu'il s'agit d'un cyclotron non isochrone. En outre, il convient de noter que le cyclotron décrit possède des moyens d'extraction du faisceau qui sont constitués par des "regénérateurs" et des "compresseurs", qui permettent, en perturbant le champ magnétique, d'obtenir une extraction du faisceau de particules.
Le document WO-93/10651 au nom de la Demanderesse décrit un cyclotron isochrone compact présentant un entrefer localisé entre deux collines de forme essentiellement elliptique et tendant à se refermer complètement à l'extrémité radiale des collines sur le plan médian. Le dispositif décrit dans ce document comprend également des moyens classiques d'extraction du faisceau qui sont un déflecteur électrostatique dans le présent cas.
Buts de la présente invention.
La présente invention vise à proposer une méthode d'extraction de particules chargées hors d'un cyclotron isochrone en évitant l'utilisation de dispositifs d'extraction tels que décrits précédemment.
Un but complémentaire de la présente invention vise de ce fait à proposer un cyclotron isochrone qui soit de conception plus simple et plus économique que ceux habituellement utilisés.
La présente invention vise également à augmenter le rendement d'extraction du faisceau de particules, et en particulier dans le cas d'extraction de particules positives.
Principaux éléments caractéristiques de la présente invention.
La présente invention se rapporte à une méthode d'extraction de particules chargées hors d'un cyclotron isochrone comportant un électro-aimant constituant le circuit magnétique qui inclut un certain nombre de paires de secteurs appelées "collines" où l'entrefer est réduit, séparées par des espaces en forme de secteurs appelés "vallées" où l'entrefer est de dimension plus grande; cette méthode étant caractérisée par le fait que l'on réalise un cyclotron isochrone avec un entrefer d'aimant entre les collines dont les dimensions sont choisies de sorte que la valeur minimale de cet entrefer au voisinage du rayon maximal entre les collines soit inférieure à vingt fois le gain en rayon par tour des particules accélérées par le cyclotron à ce rayon.
Selon cette configuration particulière, on observera que les ions peuvent être extraits de l'influence du champ magnétique sans l'aide d'aucun dispositif d'extraction.
Il convient de noter que pour des cyclotrons isochrones de l'état de l'art, l'entrefer ce l'aimant est en général compris entre 5 et 20 cm, alors que le gain en rayon par tour est d'environ 1 mm. Dans ce cas, le rapport de l'entrefer au gain en rayon par tour est supérieur à 50.
On observe qu'en appliquant la caractéristique principale de la présente invention, le champ magnétique diminue de façon très brutale au voisinage de la limite du pôle de l'aimant, de telle sorte que le point d'auto-extraction est atteint avant que le déphasage des particules par rapport à la tension accélératrice n'atteigne 90 degrés. De cette manière, les particules sortent automatiquement du champ magnétique sans intervention d'aucun dispositif d'extraction.
Selon une forme d'exécution particulièrement préférée de la présente invention, on peut envisager de dessiner un entrefer présentant un profil elliptique qui a tendance à se refermer à l'extrémité radiale des collines, tel que décrit dans le brevet W093/10651.
Selon une forme d'exécution préférée de la présente invention, l'extraction des particules est concentrée sur un secteur grâce à une dissymétrie apportée délibérément à la forme ou au champ magnétique dudit secteur.
Selon une autre forme d'exécution préférée de la présente invention, on réduit l'angle de l'un des secteurs au niveau du rayon polaire pour permettre de déplacer les orbites et d'obtenir ainsi l'extraction de tout le faisceau de ce côté, de manière, par exemple, à pouvoir irradier une cible de large volume.
Selon une autre forme d'exécution préférée de la présente invention, on réalise une distribution particulière du faisceau de particules de manière à irradier simultanément plusieurs cibles montées côte à côte sur la trajectoire du faisceau.
La présente invention permet avantageusement d'être utilisée pour la protonthérapie ou la production de radio-isotopes, et plus particulièrement de radio-isotopes destinés à la tomographie par émission de positrons (TEP).
Brève description des figures.
Les figures 1 et 2
représentent les profils magnétiques d'un cyclotron isochrone selon l'état de la technique et d'un cyclotron isochrone utilisant la méthode d'extraction selon la présente invention.
La figure 3
représente de manière schématique une vue éclatée des principaux éléments constituant un cyclotron isochrone.
La figure 4
représente une vue en coupe d'un cyclotron isochrone.
Description d'une forme d'exécution préférée de l'invention.
Le profil du champ magnétique dans un cyclotron isochrone est tel que la fréquence de rotation des particules doit être constante et indépendante de leur énergie. Pour compenser l'augmentation de masse relativiste des particules, le champ magnétique doit donc augmenter avec le rayon pour assurer cette condition d'isochronisme. Pour décrire cette relation, on définit l'indice de champ par la relation suivante : n = dB B · R dR dans laquelle dB/B et dR/R sont respectivement les variations relatives du champ magnétique et du rayon au rayon R.
Il convient de noter qu'il est impossible de maintenir la condition d'isochronisme au voisinage du rayon maximal du pôle. En effet, à ce moment, le champ cesse d'augmenter avec le rayon. Il a atteint un maximum et commence ensuite à décroítre de plus en plus rapidement.
La figure 1 illustre la variation du champ en fonction du rayon dans un cyclotron isochrone classique. Un déphasage croissant s'installe entre la fréquence de rotation des particules et la fréquence de résonnance des électrodes accélératrices. Lorsque ce déphasage atteint 90 degrés, les particules cessent d'être accélérées et elles ne peuvent dépasser ce rayon.
La figure 2 illustre la variation du champ en fonction du rayon dans un cyclotron isochrone utilisant la méthode d'extraction selon la présente invention. En choisissant de manière précise les dimensions de l'entrefer de l'aimant entre les collines, de telle sorte qu'il soit réduit à une valeur de moins de vingt fois le gain en rayon par tour, on observe un profil du champ magnétique tel que représenté à la figure 2.
Dans ce cas, le champ magnétique diminue de façon très brutale au voisinage de la limite du pôle de l'aimant, de telle manière que le point d'auto-extraction défini par l'indice de champ n = -1 est atteint avant que le déphasage des particules par rapport à la tension accélératrice n'atteigne 90 degrés.
A partir de ce moment, les particules sortent automatiquement du champ magnétique sans intervention d'aucun dispositif extracteur.
Un cyclotron isochrone tel qu'il est utilisé dans la méthode d'extraction de particules chargées selon la présente invention est représenté schématiquement aux figures 3 et 4. Ce cyclotron est un cyclotron isochrone compact destiné à l'accélération de particules positives, et plus particulièrement des protons.
La structure magnétique 1 du cyclotron se compose d'un certain nombre d'éléments 2, 3, 4 et 5 réalisés en un matériau ferro-magnétique et de bobines 6 réalisées de préférence en un matériau conducteur ou supra-conducteur. La structure ferro-magnétique comporte de manière classique :
  • deux plaques de base appelées culasses 2 et 2',
  • au moins trois secteurs 3 supérieurs appelés collines et un même nombre de secteurs inférieurs 3' situés symétriquement par rapport à un plan de symétrie 10 dit plan médian aux secteurs supérieurs 3, et qui sont séparés par un faible entrefer 8,
  • entre deux collines consécutives, il existe un espace où l'entrefer est de dimension plus élevée et est qui appelé vallée 4,
  • au moins un retour de flux 5 réunissant de façon rigide la culasse inférieure 2 à la culasse supérieure 2',
Les bobines 6 sont de forme essentiellement circulaire, et sont localisées dans l'espace annulaire laissé entre les secteurs 3 ou 3'et les retours de flux 5.
Le conduit central est destiné à recevoir au moins une partie de la source de particules 7 à accélérer. Ces particules sont injectées au centre de l'appareil par des moyens connus en soi.
Pour un cyclotron isochrone accélérant un faisceau de protons jusqu'à une énergie de 11 MeV, l'aimant est dessiné, selon la présente invention, avec un entrefer de 10 mm pour un champ magnétique de 2 teslas sur les secteurs magnétiques 3 et 3'. La tension accélératrice est de 80 kilovolts de manière à obtenir un gain en rayon de 1,5 mm au rayon maximal.
Ce choix inusuel des paramètres permet qu'à l'extrémité radiale des collines, on observe une décroissante extrêmement rapide de l'induction extérieure qui permet d'auto-extraire le faisceau de particules avant la limite d'accélération, ce qui est plus particulièrement représenté à la figure 2.
Selon une première forme d'exécution préférée, on réduit l'angle d'un des secteurs au niveau du rayon polaire de manière à permettre de déplacer les orbites et d'obtenir l'extraction de tout le faisceau de ce côté (voir figure 4).
Le faisceau de particules extrait est alors axialement focalisé et radialement défocalisé.
Selon une autre forme d'exécution préférée, on utilise ce profil de faisceau pour l'irradiation simultanée de quatre cibles localisées entre les deux bobines 6 montées côte à côte sur la trajectoire du faisceau.

Claims (7)

  1. Méthode d'extraction d'un faisceau de particules chargées hors d'un cyclotron isochrone (1) comportant un électro-aimant constituant le circuit magnétique qui inclut au moins un certain nombre de secteurs (3, 3') appelés "collines" où l'entrefer est réduit, séparés par des espaces en forme de secteurs (4) appelés "vallées" où l'entrefer est de dimension plus grande, la méthode d'extraction étant caractérisée par le fait que le faisceau de particules est extrait sans recours à un dispositif d'extraction par une disposition particulière du champ magnétique obtenue en dessinant l'entrefer de l'aimant aux collines (3,3') du cyclotron isochrone de telle sorte que le rapport dimension de l'entrefer de l'aimant aux collines au voisinage du rayon maximum sur le gain en rayon par tour des particules accélérées par le cyclotron à ce rayon soit inférieur à 20.
  2. Cyclotron isochrone dans lequel un faisceau de particules est focalisé par secteurs et qui comporte un électro-aimant constituant un circuit magnétique qui inclut au moins un certain nombre de secteurs (3, 3') appelés "collines" où un entrefer est réduit, séparés par des espaces en forme de secteurs (4) appelés "vallées" où un entrefer est de dimension plus grande, caractérisé en ce que l'entrefer de l'aimant aux collines (3, 3') est dessiné de telle sorte que le rapport dimension de l'entrefer de l'aimant aux collines au voisinage du rayon maximum sur le gain en rayon par tour des particules accélérées par le cyclotron à ce rayon soit inférieur à 20.
  3. Cyclotron isochrone selon la revendication 2, caractérisé en ce que le profil de l'entrefer de l'aimant aux collines est un profil elliptique ayant tendance à se refermer à l'extrémité radiale des collines.
  4. Cyclotron selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'au moins un secteur présente une forme ou un champ magnétique dissymétrique par rapport aux autres secteurs.
  5. Cyclotron selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'on réduit l'angle d'un des secteurs au niveau du rayon polaire.
  6. Cyclotron selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'on réalise une distribution particulière du faisceau de particules de manière à irradier simultanément plusieurs cibles montées côte à côte sur la trajectoire du faisceau.
  7. Utilisation de la méthode d'extraction des particules selon la revendication 1 ou du dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6 pour la protonthérapie ou pour la production de radio-isotopes, et en particulier pour la production de radio-isotopes destinés à la tomographie par émission de positrons.
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