EP1265462A1 - Device and method for the intensity control of a beam extracted from a particle accelerator - Google Patents

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EP1265462A1
EP1265462A1 EP20010870122 EP01870122A EP1265462A1 EP 1265462 A1 EP1265462 A1 EP 1265462A1 EP 20010870122 EP20010870122 EP 20010870122 EP 01870122 A EP01870122 A EP 01870122A EP 1265462 A1 EP1265462 A1 EP 1265462A1
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beam
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device
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EP20010870122
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Inventor
Bertrand Bauvir
Bruno Marchand
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Ion Beam Applications SA
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Ion Beam Applications SA
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    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H13/00Magnetic resonance accelerators; Cyclotrons
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00

Abstract

The beam intensity regulator includes an analogue-digital converter (50) which converts an analogue signal (IM) directly representing the measured beam intensity at the accelerator output into a digital signal (IR). A low pass filter filters the signal (IM) to produce a filtered analogue signal (IF). A phase advance regulator samples the signal (IF), compensates for the phase delay and provides the signal (IR) to a comparator (90) An Independent claim is also included for: a regulation method. Beam intensity regulator, for beams extracted from a particle accelerator such as a cyclotron, used for proton-therapy. The particles are generated from an ion source. Regulator includes: (a) a comparator (90) determining the difference ( eta ) between a digital signal (IR) representing beam intensity measured at the accelerator output and a set value of beam intensity (IC); a SMITH predictor (80) which determines from ( eta ), a corrected value beam intensity value (IP); an inverse correspondence table (40) furnishes, from the corrected value (IP). a value (IA) for supply of a current arc for the ion source (20).

Description

Objet de l'invention The invention

La présente invention se situe dans le domaine technique de la régulation de l'intensité d'un faisceau extrait d'un accélérateur de particules. The present invention is in the technical field of regulating the intensity of a beam extracted from a particle accelerator.

La présente invention se rapporte à un dispositif destiné à la régulation rapide et précise de l'intensité d'un faisceau extrait d'un accélérateur de particules, et plus spécifiquement d'un cyclotron. The present invention relates to a device for fast and precise regulation of the intensity of a beam extracted from a particle accelerator, and more specifically from a cyclotron.

La présente invention se rapporte également à une méthode pour la régulation de l'intensité du faisceau extrait d'un accélérateur de particules. The present invention also relates to a method for regulating the intensity of the beam extracted from a particle accelerator.

La présente invention se rapporte enfin à l'utilisation de ce dispositif ou de cette méthode en protonthérapie et en particulier dans la technique de "Pencil Beam Scanning". The present invention further relates to the use of this device or method in proton therapy, particularly in the technique of "Pencil Beam Scanning."

Arrière-plan technologique et état de la technique Technological background and state of the art

Les cyclotrons sont des accélérateurs circulaires de particules qui sont utilisés pour accélérer des ions positifs ou négatifs jusqu'à des énergies de quelques MeV voire plus. Cyclotrons are circular particle accelerators are used to accelerate positive or negative ions up to energies of a few MeV or more. Ce type d'appareils trouve des applications dans des domaines différents tels que l'industrie ou la médecine, plus précisément en radiothérapie pour la production de radio-isotopes ou en protonthérapie, en vue de traiter des tumeurs cancéreuses. This type of device has applications in different fields such as industry or medicine, specifically in radiotherapy for the production of radioisotopes or proton therapy, to treat cancerous tumors.

Les cyclotrons comprennent généralement cinq composants majeurs : la source d'ions 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, et le dispositif d'extraction permettant de dévier les particules ionisées de leur trajectoire d'accélération puis de les évacuer hors du cyclotron sous forme d'un faisceau à haute énergie cinétique. Cyclotrons generally include five major components: the ion source that generates ionized particles, the containment device vacuo ionized particles, the electromagnet which produces the magnetic field for guiding the ionized particles, the high frequency accelerator system for accelerating the ionised particles, and the extraction device for deflecting the ionized particles from their acceleration trajectory and then evacuate from the cyclotron in the form of a high kinetic energy beam. Ce faisceau est ensuite dirigé vers le volume cible. This beam is then directed to the target volume.

Dans la source d'ions d'un cyclotron, les ions sont obtenus par ionisation, dans une enceinte fermée, d'un milieu gazeux constitué d'un ou plusieurs gaz, au moyen d'électrons fortement accélérés par résonance électronique cyclotronique sous l'action d'un champ magnétique haute fréquence injecté dans l'enceinte. In the ion source of a cyclotron, the ions are obtained by ionizing, in a closed chamber, a gaseous medium consisting of one or more gases, using highly accelerated electron by electron cyclotron resonance in the action of a high frequency magnetic field injected into the enclosure.

De tels cyclotrons peuvent être utilisés en protonthérapie. Such cyclotrons can be used in proton therapy. La protonthérapie vise à délivrer une dose élevée dans un volume cible à traiter bien défini tout en épargnant les tissus sains entourant le volume considéré. Proton therapy is designed to deliver a high dose in a target volume to be treated well defined while sparing healthy tissues surrounding the considered volume. En comparaison à la radiothérapie conventionnelle (rayons X), les protons présentent l'avantage de déposer leur dose à une profondeur précise dépendant de l'énergie (pic de Bragg). In comparison to conventional radiotherapy (x-ray), the protons have the advantage of depositing their dose at a specific depth depending on the energy (the Bragg peak). Plusieurs techniques pour distribuer la dose dans le volume cible sont connues. Several techniques to distribute the dose in the target volume are known.

La technique mise au point par Pedroni et décrite dans « The 200-Mev proton therapy project at the Paul Scherrer Institute : conceptual design and practical realization » MEDICAL PHYSICS, JAN. The technique developed by Pedroni and described in "The 200-MeV proton therapy project at the Paul Scherrer Institute: conceptual design and practical realization" MEDICAL PHYSICS, January 1995, USA, vol.22, no.1, pages 37-53, XP000505145 ISSN : 0094-2405, consiste à découper le volume cible en volumes élémentaires appelés « voxels ». 1995 USA, vol.22, no.1, 37-53 pages, XP000505145 ISSN: 0094-2405, is to cut the target volume into elementary volumes called "voxels". On dirige le faisceau vers un premier voxel, et lorsque la dose prescrite est atteinte, on interrompt l'irradiation en déviant brusquement le faisceau au moyen d'un aimant rapide (fast kicking magnet). Directing the beam towards a first voxel, and when the prescribed dose has been reached, stops the irradiation by abruptly deflecting the beam by means of a magnet fast (fast magnet kicking). On règle alors un aimant de balayage de manière à diriger le faisceau vers un voxel suivant, et on réintroduit le faisceau de manière à irradier ce voxel suivant. It then sets a scanning magnet so as to direct the beam to a next voxel, and reintroduced beam so as to irradiate the next voxel. Ce processus est répété jusqu'à irradiation du volume cible en entier. This process is repeated until irradiation of the target volume in full. Un des inconvénients de ce procédé est que, en raison des interruptions et rétablissements successifs du faisceau entre deux voxels, le temps de traitement est important, et peut atteindre plusieurs minutes dans des conditions typiques. One disadvantage of this method is that, due to interruptions and successive restorations of the beam between two voxels, the processing time is important, and can reach several minutes under typical conditions.

La demande de brevet WO00/40064 de la Demanderesse décrit une technique améliorée, dite « pencil beam scanning », dans laquelle le faisceau ne doit pas être interrompu entre l'irradiation de chaque voxel individuel. Patent application WO00 / 40064 of the Applicant describes an improved technique, called "pencil beam scanning," in which the beam must not be interrupted between irradiation of each individual voxel. Le procédé décrit dans ce document consiste à déplacer le faisceau de manière continue de manière à "peindre" le volume cible couche après couche. The method described herein is to move the beam in a continuous manner so as to "paint" the target volume layer after layer.

En opérant simultanément un déplacement du faisceau et une variation de l'intensité de ce faisceau, on parvient à conformer exactement la dose à délivrer au volume cible. By working simultaneously a displacement of the beam and a change in the intensity of this beam, we arrive at exactly conform the dose to be delivered to the target volume. La régulation de l'intensité du faisceau de protons est réalisée indirectement par une action sur le courant d'alimentation de la source d'ions. The regulation of the intensity of the proton beam is made indirectly by affecting the supply current of the ion source. On utilise dans ce but un régulateur qui permet de réguler l'intensité du faisceau de protons. Is used for this purpose a controller for regulating the intensity of the proton beam. Toutefois, cette régulation n'est pas optimale. However, this regulation is not optimal.

Une autre technique utilisée en protonthérapie est la technique dite de « Double Diffusion ». Another used in proton therapy technique is the technique called "Double Diffusion". Dans cette technique, la modulation de la profondeur d'irradiation (c'est-à-dire de l'énergie), est réalisée à l'aide d'une roue dite roue de modulation tournant à une vitesse de l'ordre de 600 tr/min. In this technique, the modulation of the irradiation depth (that is to say, energy), is performed using a so-called modulation wheel wheel rotating at a speed of about 600 rev / min. Les parties absorbantes de ce modulateur sont constituées d'un matériau absorbant, tel que le graphite ou de lexan. The absorbent portions of the modulator consist of an absorbent material, such as graphite or lexan. Lors de la fabrication de ces roues de modulation, la modulation en profondeur obtenue est assez proche des prédictions. During the manufacture of these modulation wheels, the depth modulation obtained is close enough predictions. L'uniformité reste malgré tout en dehors des spécifications désirées. Consistency remains still outside the desired specifications. Pour atteindre les spécifications sur l'uniformité, plutôt que de ré-usiner les roues de modulation, il est moins onéreux d'utiliser une régulation de l'intensité du faisceau qui soit synchronisée sur la vitesse de rotation du modulateur d'énergie. To achieve the specifications of uniformity, rather than re-machine the modulation wheels, it is cheaper to use a regulation of the intensity of the beam that is synchronized with the rotational speed of the power modulator. La fonction de modulation est donc établie pour chaque modulateur d'énergie et est utilisée comme trajectoire fournie comme consigne au régulateur de l'intensité du faisceau. Therefore the modulation function is determined for each energy and modulator is used as a path provided as a setpoint to the beam intensity controller. Une régulation rapide et précise de l'intensité du faisceau extrait d'un accélérateur de particules est donc nécessaire également dans les techniques de double diffusion utilisant une telle roue de modulation. Fast and precise regulation of the intensity of the beam extracted from a particle accelerator is also necessary in the techniques of double diffusion using such modulation wheel.

Buts de l'invention Aims of the invention

La présente invention vise à fournir un dispositif et une méthode destinés à la régulation de l'intensité d'un faisceau extrait d'un accélérateur de particules, qui ne présente pas les inconvénients des procédés et dispositifs de l'état de la technique. The present invention aims to provide an apparatus and a method for regulating the intensity of a beam extracted from a particle accelerator, which does not have the disadvantages of methods and devices of the prior art.

Résumé de l'invention Summary of the Invention

La présente invention se rapporte à un dispositif de régulation de l'intensité du faisceau extrait d'un accélérateur de particules, tel qu'un cyclotron, utilisé par exemple pour la protonthérapie, lesdites particules étant générées à partir d'une source d'ions, caractérisé en ce qu'il comporte au moins : The present invention relates to a device for regulating the intensity of the beam extracted from a particle accelerator such as a cyclotron, used for example for the proton, said particles being generated from an ion source characterized in that it comprises at least:

  • un comparateur déterminant un écart entre un signal digital représentatif de l'intensité du faisceau mesurée à la sortie de l'accélérateur et une valeur de consigne de l'intensité du faisceau; a comparator determining a difference between a digital signal representative of the beam intensity measured at the exit of the accelerator and a target value of the beam intensity;
  • un prédicteur de Smith, qui détermine, à partir de cet écart, une valeur corrigée de l'intensité de faisceau; a Smith predictor, which determines, from this difference, a corrected value of the beam intensity;
  • une table de correspondance inversée, fournissant, à partir de la valeur corrigée de l'intensité de faisceau, une valeur de consigne pour l'alimentation du courant d'arc de la source d'ions. a reverse lookup table, providing, from the corrected value of the beam intensity, a setpoint value for the supply of the arc current of the ion source.

En outre, le dispositif selon l'invention peut comprendre un convertisseur analogique-digital convertissant le signal analogique directement représentatif de l'intensité du faisceau mesuré à la sortie de l'accélérateur, et fournissant un signal digital. In addition, the device of the invention may comprise an analog-digital converter converting the analog signal directly representative of the beam intensity measured at the output of the accelerator, and outputting a digital signal.

De préférence, le dispositif selon l'invention comprendra en outre : Preferably, the device of the invention further comprise:

  • un filtre passe-bas filtrant le signal analogique directement représentatif de l'intensité du faisceau mesuré à la sortie de l'accélérateur, et fournissant un signal analogique filtré; a low pass filter filtering the analog signal directly representative of the intensity of the beam measured at the output of the throttle, and providing a filtered analog signal;
  • un régulateur à avance de phase échantillonnant ledit signal analogique filtré, compensant le retard de phase introduit par le filtre passe-bas, et fournissant un signal digital au comparateur. a phase lead controller sampling said filtered analog signal, compensating for the phase delay introduced by the low-pass filter, and supplying a digital signal to the comparator.

Avantageusement, le dispositif de l'invention comporte des moyens de mise à jour du contenu de la table de correspondance inversée. Advantageously, the device of the invention comprises means for updating the content of the reverse lookup table.

La fréquence d'échantillonnage est de préférence comprise entre 100 kHz et 200 kHz, et la fréquence de coupure du filtre passe-bas est de préférence comprise entre 2 et 6 kHz. The sampling frequency is preferably between 100 kHz and 200 kHz, and the cutoff frequency of low-pass is preferably between 2 and 6 kHz.

La présente invention concerne également une méthode de régulation, au moyen d'un dispositif de régulation digital fonctionnant à une fréquence d'échantillonnage donnée, de l'intensité du faisceau extrait d'un accélérateur de particules, tel qu'un cyclotron, utilisé par exemple en protonthérapie, lesdites particules étant générées à partir d'une source d'ions, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins les étapes suivantes : The present invention also relates to a method of regulating, by means of a digital control device operating at a given sampling frequency, the beam intensity extracted from a particle accelerator such as a cyclotron, used by example in proton therapy, said particles being generated from an ion source, characterized in that it comprises at least the following steps:

  • on mesure l'intensité du faisceau à la sortie de l'accélérateur de particules; measuring the intensity of the beam at the exit of the particle accelerator;
  • on compare un signal digital représentatif de la mesure de l'intensité du faisceau avec la valeur de consigne de l'intensité du faisceau; comparing a digital signal representative of the measurement of the beam intensity with the set value of the beam intensity;
  • on détermine, au moyen d'un prédicteur de Smith, une valeur corrigée de l'intensité de faisceau; is determined using a Smith predictor, a corrected value of the beam intensity;
  • on détermine, à partir de cette valeur corrigée de l'intensité de faisceau, au moyen d'une table de correspondance inversée, une valeur de consigne pour l'alimentation du courant d'arc de la source d'ions. is determined from this corrected value of the beam intensity by means of a reverse lookup table, a setpoint value for the supply of the arc current of the ion source.

De préférence, dans la méthode selon l'invention, après la mesure de l'intensité du faisceau à la sortie de l'accélérateur de particules, on convertit le signal analogique directement représentatif de l'intensité du faisceau mesurée au moyen d'un convertisseur analogique digital pour obtenir un signal digital. Preferably, in the method according to the invention, after measurement of the beam intensity at the output of the particle accelerator, converting the analog signal directly representative of the intensity of the beam measured by means of a converter analog digital to obtain a digital signal.

Selon une forme d'exécution de la méthode selon l'invention, According to one embodiment of the method according to the invention,

  • on filtre le signal analogique directement représentatif de l'intensité du faisceau mesurée au moyen d'un filtre passe-bas, donnant un signal analogique filtré; directly filtering the analog signal representative of the beam intensity measured by means of a low-pass filter, yielding a filtered analog signal;
  • on échantillonne ledit signal filtré, et on compense le retard de phase introduit par le filtrage pour obtenir un signal digital. is sampled said filtered signal, and compensates for the phase delay introduced by the filter to obtain a digital signal.

Avantageusement, la correspondance entre une valeur pour l'alimentation du courant d'arc de la source d'ions et une valeur de l'intensité du faisceau mesurée à la sortie de l'accélérateur est déterminée préalablement à la régulation. Advantageously, the correspondence between a value for the arc current supply of the ion source and a value of the beam intensity measured at the exit of the accelerator is previously determined in the control unit.

Avantageusement, dans la correspondance entre une valeur de l'intensité du faisceau mesurée à la sortie de l'accélérateur et une valeur pour l'alimentation du courant d'arc de la source d'ions, les valeurs de l'alimentation du courant d'arc correspondant aux valeurs d'intensité de faisceau supérieures à une limite sont remplacées par la valeur d'alimentation du courant d'arc correspondant cette limite. Advantageously, in the correspondence between a value of the beam intensity measured at the exit of the accelerator and a value for the arc current supply of the ion source, the power supply current values ​​of arc corresponding to the beam intensity values ​​above a limit are replaced by the power value of the arc current corresponding to this limit.

Enfin, la présente invention se rapporte également à l'utilisation du dispositif et de la méthode de l'invention en protonthérapie et en particulier dans les technique de "Pencil Beam Scanning" et de « double diffusion ». Finally, the present invention also relates to the use of the device and method of the invention in proton therapy and especially in the art of "Pencil Beam Scanning" and "double diffusion."

Brève description des figures BRIEF DESCRIPTION OF FIGURES

La figure 1 représente un dispositif de régulation de l'intensité d'un faisceau extrait d'un accélérateur de particules suivant l'art antérieur. 1 shows an intensity regulating device of a beam extracted from a particle accelerator according to the prior art.

La figure 2 représente la caractéristique du système, c'est-à-dire la correspondance entre une valeur I A pour l'alimentation du courant d'arc de la source d'ions et une valeur I M de l'intensité du faisceau mesurée à la sortie de l'accélérateur. 2 shows the characteristic of the system, that is to say, the correspondence between a value I A for the supply of the arc current of the ion source and a value I M of the measured intensity of the beam at the exit of the accelerator.

La figure 3 représente un mode de réalisation d'un dispositif de régulation de l'intensité d'un faisceau extrait d'un accélérateur de particules selon l'invention. 3 shows an embodiment of an intensity regulating device of a beam extracted from a particle accelerator according to the invention.

La figure 4 représente un second mode de réalisation d'un dispositif de régulation de l'intensité d'un faisceau extrait d'un accélérateur de particules suivant l'invention. 4 shows a second embodiment of an intensity regulating device of a beam extracted from a particle accelerator according to the invention.

Problèmes à la base de la présente invention Problems at the base of the present invention

En utilisant une régulation classique, par exemple PID, pour la mise en oeuvre de la technique dite "pencil beam scanning" telle que décrite dans la publication WO00/40064 de la Demanderesse, on est confronté aux problèmes décrits ci-après. Using a vector control, for example PID for the implementation of the technique called "pencil beam scanning" as described in the publication WO00 / 40064 of the Applicant, one is confronted with the problems described below.

Ainsi que le montre la figure 1, une valeur de consigne I C de l'intensité du faisceau est fournie à un régulateur PID classique 10, qui détermine une valeur I A du courant d'arc de la source d'ions 20. L'intensité du faisceau est mesurée au moyen d'une chambre d'ionisation 30, et le signal correspondant I M est comparé à l'aide d'un comparateur 90 à la valeur de consigne I C pour fournir un signal d'erreur ε. As shown in Figure 1, a set value I C of the beam intensity is provided to a conventional PID controller 10, which determines a value I A of the arc current of the ion source 20. The beam intensity is measured by means of an ionization chamber 30, and the corresponding signal I M is compared using a comparator 90 to the set value I C for providing an error signal ε. Selon la technique de balayage continu du faisceau, il est indispensable que l'intensité du faisceau varie de manière simultanée avec le déplacement, de manière à obtenir la conformité de la dose délivrée. According to the continuous scanning technique of the beam, it is essential that the beam intensity of which varies simultaneously with the displacement in order to achieve conformity of the delivered dose.

Un tel système présente les difficultés suivantes : Such a system has the following problems:

  • un temps mort pur important est dû au temps de parcours important d'une particule entre son émission par la source d'ions 20 et sa sortie de la machine; a significant pure dead time is due to the material transit time of a particle between its transmission by the ion source 20 and the output of the machine;
  • la caractéristique du système, liant l'intensité du faisceau extrait de l'accélérateur de particules I M à l'intensité du courant d'arc de la source d'ions I A est fortement non linéaire, ainsi que le montre la figure 2; the characteristic of the system, binding intensity of the beam extracted from the particle accelerator I M to the intensity of the arc current of the ion source I A is strongly non-linear, as shown in Figure 2;
  • de plus, cette caractéristique peut varier au cours du temps, ainsi que le montrent les courbes en trait interrompu de la figure 2. Cette variation peut survenir rapidement en raison du chauffage ou du refroidissement du filament de la source d'ions lors de sa mise en service. Moreover, this characteristic may vary over time, as shown by the curves in broken lines in Figure 2. This variation may rapidly occur due to heating or cooling of the filament of the ion source when it is service. Elle peut également provenir du vieillissement du filament. It can also come from the aging of the filament. Ces deux phénomènes conduisent à des variations de la caractéristique avec des constantes de temps très différentes; These two phenomena lead to variations in the characteristic with very different time constants;
  • le système est fortement bruité. the system is very noisy. L'intensité du faisceau généré par la source d'ions présente un bruit important, en particulier à la fréquence d'échantillonnage utilisée pour la mesure. The intensity of the beam generated by the ion source has a significant noise, especially at the sampling frequency used for the measurement.

La régulation d'un tel système en utilisant les méthodes classiques de régulation telles que les techniques de feedforward, de feedback par action proportionnelle, intégrale et dérivée (PID) et de boucles en cascade a été évaluée. The control of such a system using conventional control methods such as feedforward techniques, feedback proportional-integral-derivative (PID) and cascade loops was evaluated. En raison du temps mort pur important, toutes ces méthodes donnent des réponses soit trop lentes, soit instables. Because of the significant pure dead time, all these methods give answers either too slow or unstable. Les méthodes classiques ne permettent pas non plus d'adresser le problème d'une caractéristique du système fluctuant en fonction du temps en utilisant une valeur moyenne des caractéristiques sur une période donnée, car les variations de gain d'une réponse à l'autre sont dans un rapport très important. Traditional methods do not allow either to address the problem of a characteristic of the system fluctuates over time using an average value of properties over time, since the gain variations of a response to another are in a very important report.

L'évolution de la caractéristique dépend de deux phénomènes bien découplés : le premier, de constante de temps brève, correspond au conditionnement de la source d'ions, c'est-à-dire à sa température. The evolution of the characteristic depends on two phenomena well decoupled: the first constant short time corresponds to the conditioning of the ion source, that is to say its temperature. Le fonctionnement normal, continu ou intermittent à rapport cyclique élevé, chauffe la source d'ions rapidement. Normal operation, continuous or intermittent high duty cycle, heating the ion source quickly. Ce temps d'établissement rapide en température pourrait permettre de travailler en boucle ouverte, c'est-à-dire sans tenir compte de la caractéristique réelle du système, en utilisant les méthodes classiques, pendant le temps de conditionnement. This fast settling time temperature could afford to work in an open loop, that is to say, regardless of the actual characteristic of the system, using conventional methods, during the conditioning time. Cependant, ce compromis limite fortement l'utilisation d'une méthode classique en fonctionnement intermittent à rapport cyclique moyen, qui correspond souvent au mode de fonctionnement utilisé. However, this compromise greatly limits the use of a conventional method intermittent medium-duty cycle, which often corresponds to the mode used.

Le second phénomène, de constante de temps plus longue, est dû au vieillissement du filament et de la source d'ions elle-même. The second phenomenon, consistently longer time, due to the filament of aging and the ion source itself. Cette évolution plus lente de la caractéristique pourrait donc donner lieu à l'utilisation d'une caractéristique moyenne du système. This slower evolution of the characteristic could therefore lead to the use of an average feature of the system. L'utilisation d'une caractéristique moyenne conduit cependant à une régulation soit trop lente, soit instable. The use of an average characteristic, however, leads to a control is too slow or unstable.

Il apparaít donc comme évident que les méthodes classiques de régulation ne peuvent pas résoudre de manière satisfaisante les problèmes du contrôle d'un tel système, c'est-à-dire un temps mort pur largement supérieur à la constante de temps principale du système (environ 4 fois) et une caractéristique non-linéaire évolutive et nécessitant une méthode de régulation adaptative. It thus seems clear that conventional control methods can not satisfactorily solve the problems of the control of such a system, that is to say a pure dead time well above the main time constant of the system ( approximately 4 times) and a non-linear characteristic scalable, requiring adaptive control method.

La régulation rapide et précise de l'intensité du faisceau extrait d'un accélérateur de particules se heurte donc à de nombreuses difficultés. The quick and precise regulation of the intensity of the beam extracted from a particle accelerator is therefore facing many difficulties. Une telle régulation rapide et précise est cependant importante pour l'application de la technique du « pencil beam scanning ». Such fast and accurate regulation is however important for the application of the technique of "pencil beam scanning".

Description d'une forme d'exécution préférée de l'invention Description of a preferred embodiment of the invention

La présente invention se propose par conséquent de résoudre plus spécifiquement ce problème en utilisant selon une forme d'exécution préférée un dispositif de régulation 10 représenté à la figure 3 avec l'alimentation du courant d'arc de la source d'ions 20. La source d'ions produit un faisceau d'ions, qui est accéléré au cours de son parcours dans l'accélérateur, en est extrait, et traverse un dispositif de mesure 30 de l'intensité du faisceau à la sortie de l'accélérateur. The present invention therefore proposes to solve this problem more specifically by using in a preferred embodiment a control device 10 shown in Figure 3 with the supply of the arc current of the ion source 20. The ion source produces an ion beam which is accelerated during its passage through the accelerator, is extracted, and passes through a measuring device 30 of the beam intensity at the output of the accelerator. Ce dispositif de mesure 30 peut être par exemple une chambre d'ionisation. This measuring device 30 can be for example an ionisation chamber.

Le régulateur suivant l'invention à été appliqué pour un cyclotron présentant les caractéristiques exemplatives et non limitatives suivantes : The following controller to the invention was applied to a cyclotron having the following exemplatives and non-limiting characteristics:

  • énergie fixe: 235 MeV fixed energy: 235 MeV
  • temps mort pur : 60 µsec. Pure dead time: 60 microsecond. Ce temps mort pur correspond au temps de parcours des ions dans l'accélérateur. This pure dead time is the time course of the ions in the accelerator. Il correspond donc directement au temps nécessaire pour mesurer l'influence d'une modification de la consigne du courant d'arc de la source d'ions sur l'intensité du faisceau d'ions extraits de la machine It therefore directly corresponds to the time required for measuring the influence of a change in the setpoint of the arc current of the ion source the intensity of the ion beam extracted from the machine
  • constante de temps principale : 15 µs. main time constant of 15 microseconds. Elle donne une indication sur le temps nécessaire à l'établissement, en boucle ouverte, de la réponse du système à une modification de consigne. It gives an indication of the time required for the establishment, in open loop, the system response to a setpoint change.
  • caractéristique du système fortement non-linéaire, ce qui conduit à une caractéristique en boucle ouverte correspondant quasiment à celle d'un système à dynamique hybride (tout ou rien). characteristic of strongly non-linear system, which leads to an open loop characteristic almost equivalent to that of a hybrid dynamic system (all or nothing).
  • évolution de la caractéristique au cours du temps. evolution of the characteristic over time.
  • signal mesuré très bruité. measured very noisy signal. En effet, la source d'ions est instable, ce qui conduit un niveau de bruit très important pour l'intensité du faisceau après extraction. Indeed, the ion source is unstable, leading a very important noise to the intensity of the beam after extraction. Le rapport bruit/signal observé est de l'ordre de 150%. Noise ratio / observed signal is of the order of 150%. En conséquence, lors d'une mise en oeuvre digitale du régulateur, les fréquences d'échantillonnages retenues engendrent un rapport signal / bruit très faible. Accordingly, when a digital work setting regulator, the selected sampling frequencies generate a signal / noise ratio very low.

Dans le dispositif de régulation de l'invention, représenté à la figure 3, les étapes suivantes sont réalisées : In the control device of the invention, shown in FIG 3, the following steps are performed:

  • la valeur de consigne de l'intensité du faisceau I C est fournie sous la forme d'un signal analogique 0-10 V (10 V correspondant à une intensité du faisceau de 300 nA); the intensity of the beam reference value I C is provided in the form of an analog signal 0-10 V (10 V corresponding to an intensity of 300 nA beam);
  • l'intensité de faisceau est mesurée au moyen d'une chambre d'ionisation 30 et la mesure I M est fournie au dispositif de régulation 10 au moyen d'un signal analogique 0-15 µA (15 µA correspondant à une intensité du faisceau de 300 nA) ; the beam intensity is measured by means of an ionization chamber 30 and the measurement I M is supplied to the regulating device 10 by means of an analog signal 0-15 uA (15 uA corresponding to an intensity of the beam 300 nA);
  • ce signal analogique I M est converti par un convertisseur 50 en un signal digital I R ; this analog signal I M is converted by a converter 50 into a digital I signal R;
  • ce signal I R est comparé par le comparateur à la consigne I C pour fournir un signal d'erreur ε; this I R signal is compared by the comparator to set the I C to provide an error signal ε;
  • ce signal d'erreur ε est fourni au régulateur de type « Prédicteur de Smith » 80; ε this error signal is supplied to the controller type "Smith Predictor" 80;
  • la sortie I P du prédicteur de Smith 80 est alors fournie à l'entrée d'une table de correspondance inversée 40. La table de correspondance 40 fournit de manière numérique la relation non-linéaire entre le courant d'arc de la source d'ions I A et l'intensité du faisceau I M d'ions extrait de l'accélérateur. output I P Smith predictor 80 is then supplied to the input of a reverse lookup table 40. The lookup table 40 provides a digital manner the non-linear relationship between the arc current of the source of ions I A and the intensity of the ion beam I M extracted from the accelerator. Elle permet donc d'identifier la caractéristique non linéaire du système. It therefore identifies the nonlinear characteristic of the system. La sortie de la table de correspondance inversée est convertie en un signal analogique de type 4-20 mA I A qui est fourni par le dispositif de régulation 10 comme valeur de consigne pour l'alimentation du courant d'arc de la source d'ions. The output of the inverted correspondence table is converted into a type analog 4-20 mA signal U A which is supplied by the regulating device 10 as a desired value for the supply of the arc current of the ion source .

Des simulations montrent qu'un tel dispositif permet une bonne régulation. Simulations show that such a device allows good regulation. Il est cependant sensible aux perturbations basse fréquence. However, it is sensitive to low frequency disturbances. Pour résoudre ce problème, on a développé une variante préférée du dispositif suivant l'invention, représenté à la figure 4. Dans ce dispositif 10, on introduit dans la contre-réaction un filtre passe-bas 60 et un régulateur à avance de phase 70. Le filtre 60 est par exemple un filtre passe-bas du premier ordre. To resolve this problem, a preferred embodiment has been developed the device of the invention, shown in Figure 4. In this device 10, is introduced into the reaction-against a low-pass filter 60 and a phase lead controller 70 . the filter 60 is for example a low pass first order filter. La fréquence de coupure est de 4,5 kHz. The cutoff frequency of 4.5 kHz. Afin de compenser le retard de phase introduit par le filtre, on utilise un régulateur à avance de phase 70 (dérivateur filtré), qui compense ce déphasage. In order to compensate the phase delay introduced by the filter, using a phase lead controller 70 (filtered differentiator), which compensates for this phase shift.

Tant le dispositif de la figure 3 que celui de la figure 4 comportent une table de correspondance inversée 40. Le contenu de cette table 40 est déterminé préalablement à chaque utilisation du dispositif de la manière suivante : As the device of Figure 3 than in Figure 4 comprises an inverted correspondence table 40. The contents of this table 40 is previously determined to each use of the device as follows:

  • le régulateur étant en boucle ouverte, la consigne du courant d'arc de la source d'ions 20 est portée progressivement de 0 à 20 mA sous la forme d'une rampe de 100 ms; the controller being in open loop, the setpoint of the arc current of the ion source 20 is gradually increased from 0 to 20 mA in the form of a 100 ms ramp;
  • l'intensité du faisceau est mesurée pour chacun des 4000 points échantillonnés; the beam intensity is measured for each of the 4000 sampled points;
  • la table obtenue est inversée, de manière à fournir une valeur correspondante du courant d'arc de la source d'ions I A en fonction de l'intensité du faisceau I M . the resulting table is reversed, so as to provide a corresponding value of the arc current of the ion source I A according to the intensity of the beam I M.
  • Cette table inversée est chargée dans le dispositif de régulation 10. This inverted table is loaded into the control device 10.

En pratique, cette opération est réalisée une douzaine de fois successivement. In practice, this is done a dozen times in succession. Ceci permet de s'assurer que les paramètres atteignent un palier, correspondant à la température de régime du filament. This ensures that the parameters reach a level corresponding to the filament operating temperature. Afin d'éliminer le bruit, une moyenne des 4 dernières tables est calculée. To eliminate noise, an average of the last 4 tables is calculated. Ces opérations, réalisées automatiquement, durent au maximum 1,5 s. These operations, carried out automatically, last a maximum of 1.5 s. Dans une variante de l'invention, les valeurs de I A correspondant aux valeurs de I M supérieures à une limite donnée sont remplacées par la valeur de I A correspondant à cette limite. In a variant of the invention, the values of I A I M corresponding to values greater than a certain limit are replaced by the value of I A corresponding to this limit. Les courbes de la figure 2 sont donc écrêtées. The curves in Figure 2 are therefore clipped. Ceci est un élément de sécurité permettant de garantir que l'intensité du faisceau produit par l'accélérateur ne sera jamais supérieur à cette limite. This is a safety feature to ensure that the intensity of the beam produced by the accelerator will never exceed this limit.

Le dispositif suivant l'invention est réalisé au moyen d'une carte électronique qui fait appel aux technologies digitales de type DSP (Digital Signal Processing). The device of the invention is achieved by means of an electronic card that uses digital technology DSP type (Digital Signal Processing).

La synthèse du prédicteur de Smith à été réalisée dans le domaine de Laplace et la discrétisation est fournie par la transformée en Z par la méthode de correspondance pôles-zéros. The synthesis of Smith predictor was performed in the Laplace domain and discretization is given by the Z transform by the method of correspondence pole-zero. Un sur-échantillonnage aurait été adéquat pour éviter tout problème lié à la discrétisation mais les technologies DSP du moment ne nous ont pas permis de monter au-delà de 100 kHz. An over-sampling was adequate to avoid any problems related to the discretization but the DSP technology of the moment did not allow us to go beyond 100 kHz.

La méthode de régulation selon la présente invention présente plusieurs avantages. The control method according to the present invention has several advantages. Tout d'abord, elle permet une adaptation commandée, c'est-à-dire qu'elle demande un temps de calcul très petit en comparaison des méthodes modernes du contrôle adaptatif et permet un changement de structure très facile puisque l'identification est faite par construction d'une table de correspondance qu'il suffit alors d'inverser numériquement pour linéariser la caractéristique du système vu par le régulateur principal. First, it allows a controlled adaptation, that is to say that a very small request computing time compared to modern methods of adaptive control and allows easy change of structure since the identification is made by constructing a correspondence table that then simply reverse numerically for linearizing the characteristic of the system seen by the main regulator.

En outre, elle offre une flexibilité importante puisqu'elle pourrait trouver sa place dans la régulation précise, reproductible, robuste et performante de toute source d'ions équipant un cyclotron et ce de par l'avantage d'une régulation de type adaptatif permettant la ré-identification de la caractéristique du système lorsque celle-ci évolue dans le temps. It also provides significant flexibility since it could find its place in the precise control, reproducible, robust and efficient sources of ion cyclotron and equipping it for the benefit of adaptive-type regulation allowing re-identifying the characteristic of the system when it evolves over time. Elle permet donc l'identification et la régulation d'un autre accélérateur que le cyclotron C235 pour laquelle cette régulation à été développée à la base. It therefore allows the identification and control of another accelerator that the C235 cyclotron why this regulation has been developed at the base.

Claims (13)

  1. Dispositif (10) de régulation de l'intensité du faisceau extrait d'un accélérateur de particules, tel qu'un cyclotron, utilisé par exemple pour la protonthérapie, lesdites particules étant générées à partir d'une source d'ions, caractérisé en ce qu' il comporte au moins : Device (10) for regulating the intensity of the beam extracted from a particle accelerator such as a cyclotron, used for example for the proton, said particles being generated from an ion source, characterized in it comprises at least:
    un comparateur (90) déterminant un écart ε entre un signal digital I R représentatif de l'intensité du faisceau mesurée à la sortie de l'accélérateur et une valeur de consigne I C de l'intensité du faisceau; a comparator (90) determining a gap ε between a digital I signal R representative of the beam intensity measured at the exit of the accelerator and a set value I C of the beam intensity;
    un prédicteur de Smith (80), qui détermine, à partir de l'écart ε, une valeur corrigée de l'intensité de faisceau I P ; a Smith predictor (80) which determines, from the difference ε, a corrected value of the beam intensity I P;
    une table de correspondance inversée (40), fournissant, à partir de la valeur corrigée de l'intensité de faisceau I P , une valeur de consigne I A pour l'alimentation du courant d'arc de la source d'ions (20). a reverse lookup table (40), providing, from the corrected value of the beam intensity I P, a set value I A for the supply of the arc current of the ion source (20) .
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comprend en outre un convertisseur analogique-digital (50) convertissant le signal analogique I M directement représentatif de l'intensité du faisceau mesuré à la sortie de l'accélérateur, et fournissant un signal digital I R . Device according to Claim 1, characterized in that it further comprises an analog-digital converter (50) converting the analog signal I M directly representative of the beam intensity measured at the output of the accelerator, and providing a signal digital I R.
  3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comprend en outre : Device according to Claim 1, characterized in that it further comprises:
    un filtre passe-bas (60) filtrant le signal analogique I M directement représentatif de l'intensité du faisceau mesuré à la sortie de l'accélérateur, et fournissant un signal analogique filtré I F ; a low-pass filter (60) filtering the analog signal I M directly representative of the beam intensity measured at the output of the accelerator, and providing a filtered analog signal I F;
    un régulateur à avance de phase (70) échantillonnant le signal analogique filtré I F , compensant le retard de phase introduit par le filtre passe-bas (60), et fournissant un signal digital I R au comparateur (90). a phase advancing controller (70) sampling the filtered analog signal I F, compensating for the phase delay introduced by the low-pass filter (60), and providing a digital I R signal to the comparator (90).
  4. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu' il comporte des moyens de mise à jour du contenu de la table de correspondance inversée (40). Apparatus according to any preceding claim, characterized in that it comprises means for updating the content of the inverted correspondence table (40).
  5. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fréquence d'échantillonnage est comprise entre 100 kHz et 200 kHz. Apparatus according to any preceding claim, characterized in that the sampling frequency is between 100 kHz and 200 kHz.
  6. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la fréquence de coupure du filtre passe-bas (60) est comprise entre 2 et 6 kHz. Device according to any one of claims 3 to 5, characterized in that the filter cutoff frequency low-pass (60) is between 2 and 6 kHz.
  7. Méthode de régulation, au moyen d'un dispositif de régulation digital (10) fonctionnant à une fréquence d'échantillonnage donnée, de l'intensité du faisceau extrait d'un accélérateur de particules, tel qu'un cyclotron, utilisé par exemple en protonthérapie, lesdites particules étant générées à partir d'une source d'ions (20), caractérisée en ce qu' elle comprend au moins les étapes suivantes : control method, by means of a digital control device (10) operating at a given sampling frequency, the beam intensity extracted from a particle accelerator such as a cyclotron, for example used in proton therapy , said particles being generated from an ion source (20), characterized in that it comprises at least the following steps:
    on mesure l'intensité du faisceau (I M ) à la sortie de l'accélérateur de particules; measuring the beam intensity (I M) to the output of the particle accelerator;
    on compare au moyen d'un comparateur (90) un signal digital I R représentatif de la mesure de l'intensité du faisceau (I M ) avec la valeur de consigne I C de l'intensité du faisceau; comparing using a comparator (90) a digital I signal R representative of the measurement of the beam intensity (I M) with the reference value I C of the beam intensity;
    on détermine, au moyen d'un prédicteur de Smith (80), une valeur corrigée I P de l'intensité de faisceau; is determined using a Smith predictor (80), a corrected value I P of the beam intensity;
    on détermine, à partir de la valeur corrigée I P de l'intensité de faisceau, au moyen d'une table de correspondance inversée (40), une valeur de consigne I A pour l'alimentation du courant d'arc de la source d'ions (20). is determined from the corrected value I P of the beam intensity by means of a reverse lookup table (40), a set value I A for the supply of the arc current of the source ion (20).
  8. Méthode de régulation selon la revendication 7, caractérisée en ce que , après la mesure de l'intensité du faisceau à la sortie de l'accélérateur de particules, on convertit le signal analogique I M directement représentatif de l'intensité du faisceau mesurée au moyen d'un convertisseur analogique digital (50) pour obtenir un signal digital I R . Control method according to claim 7, characterized in that, after the measurement of the beam intensity at the output of the particle accelerator, converting the analog signal I M directly representative of the beam intensity measured by a digital analog converter (50) to obtain a digital signal I R.
  9. Méthode selon la revendication 7, caractérisée en ce que , après la mesure de l'intensité du faisceau à la sortie de l'accélérateur de particules : Method according to claim 7, characterized in that, after the measurement of the beam intensity at the output of the particle accelerator:
    on filtre le signal analogique I M directement représentatif de l'intensité du faisceau mesurée au moyen d'un filtre passe-bas (60), donnant un signal analogique filtré I F ; filtering the analog signal I M directly representative of the beam intensity measured by means of a low pass filter (60), giving a filtered analog signal I F;
    on échantillonne le signal filtré I F , et on compense le retard de phase à l'aide d'un régulateur à avance de phase (70) introduit par le filtrage pour obtenir un signal digital I R . sampling the filtered I F signal, and compensates for the phase delay by means of a phase advancing controller (70) introduced by the filtering to obtain a digital signal I R.
  10. Méthode selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que la correspondance entre une valeur I A pour l'alimentation du courant d'arc de la source d'ions (20) et une valeur I M de l'intensité du faisceau mesurée à la sortie de l'accélérateur est déterminée préalablement à la régulation. Method according to any one of claims 7 to 9, characterized in that the correspondence between a value I A to the arc current power to the ion source (20) and a value of the intensity I M beam measured at the output of the accelerator is previously determined in the control unit.
  11. Méthode selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que , dans la correspondance entre une valeur I M de l'intensité du faisceau mesurée à la sortie de l'accélérateur et une valeur I A pour l'alimentation du courant d'arc de la source d'ions, les valeurs de I A correspondant aux valeurs de I M supérieures à une limite sont remplacées par la valeur de I A correspondant cette limite. Method according to any one of claims 7 to 9, characterized in that, in the correspondence between a value I M of the beam intensity measured at the exit of the accelerator and a value I A for current supply arc of the ion source, the values of I a I M corresponding to higher values to limit are replaced by the value of I a corresponding limit.
  12. Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 en protonthérapie et en particulier dans les technique de "Pencil Beam Scanning" et de « double diffusion ». Use of the device according to any one of claims 1 to 6 in proton therapy, particularly in the technique of "Pencil Beam Scanning" and "double diffusion".
  13. Utilisation de la méthode de selon l'une quelconque des revendications 7 à 11 en protonthérapie et en particulier dans les techniques de "Pencil Beam Scanning" et de « double diffusion ». Use of the method according to any one of claims 7 to 11 in proton therapy, particularly in the techniques of "Pencil Beam Scanning" and "double diffusion".
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