WO2022101409A1 - Capteur de mesure du flux de rayonnement issu d'un accélérateur de particules - Google Patents

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WO2022101409A1
WO2022101409A1 PCT/EP2021/081518 EP2021081518W WO2022101409A1 WO 2022101409 A1 WO2022101409 A1 WO 2022101409A1 EP 2021081518 W EP2021081518 W EP 2021081518W WO 2022101409 A1 WO2022101409 A1 WO 2022101409A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
measurement sensor
electrodes
particle accelerator
measurement
sensor
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/081518
Other languages
English (en)
Inventor
Yannick ARNOUD
Ludovic LEAU-MERCIER
Original Assignee
Centre National De La Recherche Scientifique
Universite Grenoble Alpes
Institut Polytechnique De Grenoble
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National De La Recherche Scientifique, Universite Grenoble Alpes, Institut Polytechnique De Grenoble filed Critical Centre National De La Recherche Scientifique
Publication of WO2022101409A1 publication Critical patent/WO2022101409A1/fr

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/185—Measuring radiation intensity with ionisation chamber arrangements

Definitions

  • the present invention relates to a sensor for measuring the flow of radiation from a particle accelerator.
  • the present invention also relates to systems comprising such a measurement sensor, such as a measurement system, a particle accelerator treatment head, and an installation, in particular a radiotherapy installation or a particle accelerator, comprising such a treatment head.
  • This ionizing radiation can be of different nature: beam of photons, electrons, protons or even charged ions.
  • treatment by radiotherapy is, for example, commonly used and consists of exposing the area containing the tumor to radiation intended to destroy cancerous cells by blocking their ability to multiply. .
  • Such treatment is carried out by a radiotherapy facility.
  • a radiotherapy facility includes a particle accelerator delivering irradiation beams with a pulsed temporal structure.
  • the useful cycle is typically 4 microseconds (ps) of irradiation, followed by 3 milliseconds (ms) to 4 ms of pause and the cycle begins again.
  • Such a beam is controlled by one or more transmission ionization chamber(s).
  • Such an ionization chamber comprises an internal gaseous volume of millimetric thickness, generally air, sandwiched between two external flat electrodes, parallel to each other.
  • the internal gaseous volume is ionized.
  • These ions are created in quantity proportional to the power conveyed by the crossing beam, and also depend on the quality factor of the beam (spectral distribution).
  • the ions created drift to collection electrodes in the ionization chamber.
  • the movement of positive and negative ions as they drift toward the collection electrodes induces an electrical signal.
  • the ions Once in contact with the electrodes, the ions are absorbed into the metal of the electrode.
  • the electrodes are connected outside the sensor to a polarization device and to a system for accumulating the charges generated. This results in the creation of a signal proportional to the power of the beam passing through the ionization chamber.
  • An ionization chamber may further have at least one of its electrodes, anode and/or cathode, spatially segmented to define electrically separated juxtaposed surfaces.
  • the surfaces thus defined can take various forms: in the form of square pixels, any polygons, circular sectors, rings, etc.
  • the signal collected on a surface is proportional to the power conveyed by the beam directly above this surface. This allows the measurement of the spatial distribution of the beam energy.
  • the chamber allows the measurement of the transmitted power and the spatial distribution of this power in the plane perpendicular to the propagation of the beam.
  • Flash radiotherapy is a specific radiotherapy technique providing better tumor control for certain types of cancer, in particular thanks to the deposit of the total dose in a fraction of a second in the tumor, whereas in the usual treatments, the dose is delivered in several tens. seconds or even minutes.
  • the radiotherapy facilities adapted to implement this flash radiotherapy technique use particle accelerators to obtain dose rates of 10 Gray per second (Gy/s), or even 100 Gy/s (the rate of dose is, by definition, the measurement of the dose deposited in the tissues in one second.
  • the particle accelerators of the usual radiotherapy installations make it possible to obtain dose rates of the order of 0.1 Gy/s This implies that a pulse from a particle accelerator for flash radiotherapy can have up to 1000 times more particles than a pulse from a particle accelerator for conventional radiotherapy.
  • the positive and negative ions generated in the internal volume of the chamber drift towards the electrodes, according to their polarity and are subject to recombination phenomena by annihilation of the positive charges with the negative charges.
  • the recombination rate is negligible.
  • this recombination phenomenon becomes significant.
  • the signal obtained at the output of the ionization chamber is reduced by an amount impossible to determine: the chamber is then said to enter the saturation zone.
  • saturation causes the ionization chamber to lose the linearity of its response, which is no longer proportional to the power of the beam passing through the ionization chamber. This loss of linearity does not allow measurement of the dose delivered on the subject with the precision necessary in radiotherapy, especially when the power of the radiation is very high.
  • the description describes a sensor for measuring a radiation flux generated by a particle accelerator, the measuring sensor comprising two electrodes delimiting a measuring volume, the electrodes being separated by a distance of between 1 micrometer and 25 micrometers, the electrodes being connected by at least one pillar comprising at least one part made of insulating material.
  • the measurement sensor has one or more of the following characteristics, taken separately or according to all the technically possible combinations:
  • the electrodes have a thickness of between 5 micrometers and 500 micrometers, preferably between 10 micrometers and 100 micrometers.
  • the measurement sensor has an attenuation of an incident flux less than or equal to 1%, preferably less than or equal to 0.5%.
  • the electrodes are separated by a distance of between 1 micrometer and 10 micrometers.
  • each pillar comprising at least one part made of insulating material.
  • the pillars are made by alternating first layers and second layers, the first layer being made of an electrically conductor, in particular Ti, and the second layer being made of an insulating material, in particular ALOs.
  • each electrode comprises a stack of layers superimposed on a metal film, the stack of layers performing an electrical insulation function.
  • the stack of superposed layers comprises an alternation of at least one pair of electrically insulating layer and electrically conductive layer.
  • At least one electrically conductive layer in particular the electrically conductive layer closest to the other electrode, is made of titanium.
  • each electrode comprises at least one conductive layer on each side of a film, the film performing an electrical insulation function.
  • the film is made of polyimide.
  • the description also proposes a detector for measuring a radiation flux from a particle accelerator comprising a measurement sensor as previously described and an electronic circuit for acquiring the signal measured by the measurement sensor.
  • the description also describes a measurement system comprising a measurement sensor as previously described or a measurement detector as previously described and optionally a sensor for measuring the average power of the radiation beam.
  • the description also proposes a treatment head of a particle accelerator comprising a measurement system as previously described.
  • the description also describes an installation, in particular a radiotherapy installation or a particle accelerator comprising the treatment head previously described.
  • FIG. 1 is a schematic view of a radiotherapy installation
  • FIG. 1 is a schematic view of a particle accelerator forming part of the radiotherapy installation of Figure 1
  • FIG. 3 is a schematic representation of a sectional view of part of a flux detector generated by the particle accelerator of Figure 2
  • FIG. 4 is an enlarged representation of zone IV visible in Figure 3.
  • the installation 10 is suitable for implementing a radiotherapy technique on a subject. It should be noted that according to possible variants, the installation 10 is an x-ray installation, or yet another type of installation 10 for industrial use, as will appear subsequently.
  • Subject 12 is generally a human but could also be a mammal, in particular a rodent, in the context of clinical trials for example.
  • the installation 10 is suitable for implementing a flash radiotherapy technique.
  • the installation 10 comprises a treatment table 14, an imaging system 16, a communication system 18, a control system 20 and a radiotherapy device 22.
  • Subject 12 rests on treatment table 14.
  • the imaging system 16 is used to make a continuous image or to position the subject 12 on the treatment table 14, in particular at the start of the treatment, in particular to ensure that the treatment is applied in the right place.
  • the imaging system 16 is, for example, a portal imager or an on-board imaging system. However, many types of imaging systems 16 are possible.
  • portal imager denotes an imager arranged downstream of the subject 12.
  • the communication system 18 allows an operator placed at a distance (generally another room to prevent the operator from being exposed to the rays) to be able to communicate with the subject 12.
  • the communication system 18 is a loudspeaker linked to a microphone placed close to the operator.
  • the control system 20 makes it possible to control various systems including in particular the imaging system 16, the radiotherapy device 22 and the communication system 18.
  • the control system 20 is, for example, a computer as seen in Figure 1.
  • the radiotherapy device 22 is the device which applies rays to the subject 12 while respecting the dose to be applied (the latter having been fixed beforehand by a doctor).
  • the radiotherapy device 22 of FIG. 1 is a high-power device 22, that is to say a device making it possible to generate beams having a dose rate greater than or equal to 0.1 Gy/s, for example greater than or equal to 1 Gy/s, in particular greater than or equal to 5 Gy/s, in particular between 20 Gy/s and 100 Gy/s.
  • the radiotherapy device 22 is, in particular, configured to generate a beam called the “output beam”.
  • the radiotherapy device 22 is described more precisely with reference to Figure 2.
  • the radiotherapy device 22 comprises a particle accelerator 24, a treatment head 26 and a controller 28.
  • the particle accelerator 24 is suitable for accelerating particles, in this case electrons.
  • the particle accelerator 24 is, in particular, configured to generate an electron beam, called “initial beam”.
  • the particle accelerator 24 comprises an electron source 30, a power supply 32, a modulator 34, an accelerating waveguide 36 and a klystron 38.
  • the electron source 30 is suitable for generating the initial beam.
  • the electron source 30 is an electron gun.
  • Power supply 32 and modulator 34 supply electron source 30.
  • this assembly provides voltage pulses with an electric field typically comprised of 4 to 24 million volts per meter.
  • the acceleration waveguide 36 makes it possible to accelerate the initial beam generated by the electron source under the effect of the klystron.
  • Klystron 38 is also powered by power supply 32 and modulator 34 and is capable of generating radio frequency waves.
  • radio frequency waves are sent to the accelerating waveguide 36.
  • klystron 38 is a magnetron.
  • the processing head 26 serves to direct, shape and control the output beam which will be sent to the subject 12.
  • the processing head 26 is capable of generating the output beam from the initial beam.
  • the treatment head 26 is connected to the output of the particle accelerator 24 (upstream) and is placed opposite the area to be treated of the subject 12 (downstream).
  • the treatment head 26 comprises, from upstream to downstream, the following elements: a deflection means 40, a target 42, a first shaping unit 44, a first sensor 46, a second form 48 and, optionally, a second sensor 50.
  • the acceleration waveguide 36, the target 42 and the deflection means 40 are arranged so that the target is impacted by the initial beam.
  • the deflection means 40 is inserted between the acceleration waveguide 36 and the target 42, the deflection means 40 making it possible to obtain a deflection angle of 90°. Other angles of deviation are of course possible depending on the configurations considered.
  • the deflection means 40 is not present, it is then only the acceleration waveguide 36 and the target 42 which are arranged so that the target 42 is impacted by the initial beam .
  • Target 42 is an X-ray target.
  • the output beam is, in particular, an X-ray beam.
  • An X-ray beam is high-frequency electromagnetic radiation made up of photons whose energy varies from 100 electron-volts to several tens of mega-electron-volts.
  • the first shaping unit 44 is able to shape the output beam generated after the target 42.
  • the first shaping unit 44 is a collimation unit.
  • the first sensor 46 is configured to control the output beam in interaction with the controller 28
  • the first sensor 46 is configured to measure a power of the output beam.
  • the first sensor 46 is configured to output spatial information on the power density passing through it.
  • the first sensor 46 is a transmission sensor which is transparent to the output beam passing through it.
  • the first sensor 46 comprises at least one ionization chamber 52 (also called “ionization chamber”) and a control module 53.
  • the first sensor 46 comprises two ionization chambers 52 arranged successively along the path of the output beam.
  • the senor 46 can be considered as a detector and the ionization chambers 52 as a measurement sensor.
  • the ionization chamber 52 will be described below.
  • the second shaping unit 48 is able to shape the output beam propagating after the first sensor 46.
  • the second sensor 50 is configured to measure a power of the initial beam.
  • the second sensor 50 comprises, for example, a coil 56 and a coil current sensor 58, in a manner known per se.
  • the second sensor 50 comprises at least one ionization chamber 52, the second sensor 50 being in particular identical to the first sensor 46.
  • the second sensor 50 is located between the target 42 and the deflection means 40.
  • FIG. 3 A sectional view of an ionization chamber 52 present in the first sensor 46 is shown in Figure 3.
  • Figure 3 shows a partial cross-sectional schematic view of the ionization chamber 52. The dimensions are not respected in order to show all relevant elements on the same drawing.
  • the ionization chamber 52 comprises two electrodes 60 and 62, namely an anode 60 and a cathode 62, at least one pillar 64, for example a set of pillars 64, and two acquisition members 65.
  • the two electrodes 60 and 62 are parallel and face each other.
  • the two electrodes 60 and 62 thus extend mainly along a plane and have a thickness along a perpendicular direction called the stacking direction and marked with a Z in FIG. 3.
  • the ionization chamber 52 is in particular provided so that the output beam crosses in the stacking direction Z the two electrodes 60 and 62 as well as the volume which separates them.
  • the volume separating the electrodes 60, 62 is delimited along the direction Z by these two electrodes.
  • This volume contains a gas which is for example air, although other gases such as dihydrogen, helium, dinitrogen, neon, argon, krypton, xenon, carbon dioxide, methane or butane can be envisaged, in the form of pure gas or as a mixture.
  • Each thickness of a layer is defined in the following according to the stacking direction Z.
  • each electrode 60 and 62 has the shape of a disk.
  • the diameter of the disc is between 6 centimeters (cm) and 15 cm.
  • the diameter of each electrode 60 and 62 is equal to 11 cm.
  • the distance d between the electrodes 60 and 62 is between 1 micrometer ( ⁇ m) and 10 ⁇ m.
  • the distance d between the electrodes 60 and 62 is equal to 5 ⁇ m.
  • the electrodes 60 and 62 and the volume of gas between the electrodes are crossed by the output beam, a part of the gas is ionized by the output beam and, according to the previously explained mechanism of ion drift, an electrical signal proportional to the power of the output beam is generated on the electrodes 60, 62 and measured by the control module 53, which deduces therefrom the value of the power of the output beam.
  • the volume of gas comprised between the surfaces of the electrodes 60 and 62 is the sensitive volume of the measurement sensor 46.
  • Each of the two electrodes 60 and 62 comprises a film 66 stretched over a mechanical support 68 in the form of a circular ring and a stack 70 of superposed layers.
  • Each film 66 is electrically conductive, in particular metallic.
  • the film 66 is made of stainless steel, in particular 316 stainless steel according to the name of the AISI standard (abbreviation of the term “American Iron and Steel Institute”) of the United States.
  • Such a material has sufficient rigidity in small thickness, resists corrosion and reasonably dissipates heat.
  • the film 66 is made of aluminum to take advantage of its good heat dissipation properties and low interaction with the incident beam, which therefore makes it possible to improve its transparency.
  • Film 66 has a thickness of between 6 ⁇ m and 100 ⁇ m.
  • the film 66 is a graphite plate to take advantage of its very good thermal and electrical conduction properties, and makes it possible to further reduce the interaction with the incident beam, with optimal transparency.
  • plate 66 has a thickness of between 100 ⁇ m and 300 ⁇ m.
  • the stack 70 of superimposed layers is deposited on the film 66.
  • Layer stack 70 includes four layers 72, 74, 76 and 78.
  • the number of layers for the 70 layer stack may vary.
  • Each layer 72, 74, 76 and 78 has a thickness of between 50 nm and 200 nm.
  • each layer 72, 74, 76 and 78 has the same thickness.
  • the common thickness of the four layers 72, 74, 76 and 78 is 100 nm.
  • the stack 70 comprises, from the film 66 towards the part in contact with the incident output beam, an alternation of layers 72, 74, 76 and 78, an insulating layer 72, then an electrically conductive layer 74 then again a layer insulation 76 and an electrically conductive layer 78.
  • Such a stack 70 allows galvanic isolation by use of the Faraday effect making it possible to preserve the integrity of the signals collected from the electromagnetic disturbances present in the external environment of the first sensor 46.
  • Each electrode 60 and 62 is thus a stack 70 of layers superimposed on a metal film 66 performing an electrical insulation function.
  • insulating layers 72 and 76 are made of Al2O3 or SiOs or MgF2.
  • the material in which the electrically conductive layers 74 and 78 are made is titanium (Ti).
  • the layer 78 closest to the other electrode 60, 62 is made of titanium.
  • Titanium has the advantage of a low atomic number which promotes weak interaction with the incident beam, but above all, in its oxidized form, TiO remains conductive.
  • the electrically conductive layer 74 and 78 is made of noble metal: gold (Au), silver (Ag), rhodium (Rh), osmium (Os), palladium (Pd), ruthenium (Ru), iridium (Ir) , platinum (Pt), Nickel-Gold (Ni-Au), tungsten oxide (WxOy) or any other metal whose oxidized form is conductive.
  • conductive oxidized form is understood in particular to mean an oxidized form having an electrical conductivity of 100 Sm ⁇ 1 or more.
  • a set of pillars 64 is present between electrodes 60 and 62.
  • each pillar 64 extends from the surface of one electrode 60 and 62 to the other in the sensitive volume of the ionization chamber 52 .
  • the pillars 64 are maintaining pillars insofar as the pillars 64 are adapted to keep the distance between the electrodes constant even in the presence of the electric attraction between the electrodes 60 and 62 when the latter are polarized.
  • the pillars 64 also ensure the electrical insulation between the electrodes 60 and 62, and the uniformity of the spatial response which depends on the sensitive volume.
  • each pillar 64 is made by alternating materials.
  • each pillar 64 of the set of pillars 64 comprises an alternation of first layer 80 and second layer 82.
  • each pillar 64 is a stack 84 of superposed layers comprising a set of bilayers 86 formed by a first layer 80 and a second layer 82 (the second layer 82 of the first bilayer being in contact with the surface of the layer 78 of the cathode 62) and a single layer 92, this layer 92 being in contact with the surface of the layer 78 of the anode 60 and made of the same material as the second layers 82.
  • Each first layer 80 is made of an electrically conductive material and each second layer 82 is made of an electrically insulating material.
  • the insulating material is AI2O3.
  • the insulating material is SiOs, or even MgF2.
  • the first layer 80 has a first thickness comprised between 25 nanometers (nm) and 75 nm.
  • the first thickness is equal to 50 nanometers.
  • the electrically conductive material is titanium (Ti).
  • the electrically conductive material is gold or any metal whose oxidized form is conductive as described above.
  • the second layer 82 has a second thickness comprised between 75 nm and 125 nm.
  • the second thickness is equal to 100 nanometers.
  • the ratio between the first thickness and the second thickness is between 0.1 and 10, preferably equal to 0.5.
  • Each pillar 64 has the shape of a cylinder having a base shape and a height.
  • the base shape is a disc.
  • the disk has a diameter of between 25 ⁇ m and 75 ⁇ m.
  • the diameter is equal to 50 ⁇ m.
  • the basic shape is a square or any polygon.
  • the height is equal to the distance d between the electrodes 60 and 62.
  • the height of each pillar 64 is equal to 5 pm.
  • the pillar 64 is, for example, arranged in the center of the surface of one of the electrodes 60, 62.
  • the pillars 64 are distributed over the surface of one of the electrodes 60 and 62 in a two-dimensional arrangement.
  • the pillars 64 are distributed over the surface of the cathode 62.
  • the two-dimensional arrangement ensures that the pillars 64 are substantially evenly distributed over the surface of the electrode.
  • the two-dimensional arrangement is a regular arrangement.
  • the bidirectional arrangement can be circular, polar, hexagonal or irregular.
  • the arrangement is such that the pillars 64 are spaced apart by a first pitch in a first direction and a second pitch in a second direction, the two directions being perpendicular to each other and to the stacking direction Z.
  • the first step and the second step are equal.
  • Each step is between 50 pm and 500 pm.
  • each step is equal to 250 ⁇ m. Furthermore, the two-dimensional arrangement is such that each pillar 64 is aligned with other pillars 64 along a first line and still other pillars 64 along a second line, the two lines being perpendicular.
  • each pillar 64 is made of an insulating material.
  • the pillars 64 comprise at least a part made of insulating material.
  • Each acquisition unit 65 is configured to receive an ionization current from a corresponding electrode 60, 62, and to transmit the current received to the control module 53.
  • Each acquisition unit 65 is, for example, an electronic acquisition of the signals generated by the electrodes.
  • Each acquisition member 65 is, for example, a printed circuit board. It should be noted that, if the control module 53 is represented in FIG. 2 as being remote from the acquisition members 65, it is in a variant carried by one or the other of the two cards, or even formed by the union of these two maps.
  • the ionization chamber comprises at the periphery coupling elements 67 each connecting an electrode 60, 62 to a corresponding acquisition member 65 and making it possible to polarize the electrodes 60, 62 and to collect the signals generated by the displacement of the ions created in the sensitive volume.
  • the acquisition members 65 frame, together, the electrodes 60, 62, which are in other words interposed in the direction Z between the two acquisition members.
  • each acquisition member 65 is configured to receive the ionization current from one electrode 60, 62, the other electrode 62, 60 being interposed between the acquisition member 65 and the electrode 60, 62 which it is configured to receive the ionization current.
  • Each coupling element 67 connects, in particular, the layer 78 of an electrode 60, 62 to the acquisition member 65 corresponding to the electrode 60, 62 considered.
  • Each coupling element 67 crosses, for example, an electrode 60, 62 to connect the other electrode 62, 60 to the corresponding acquisition member 65. This then facilitates the connection of the layer 78 to the coupling element 67, since the latter is placed on the same side of the film 66 as the layer 78 and can easily bear against it.
  • the acquisition electronics are suitable for detecting low amplitude signals, typically currents between 10 -12 Amps (A) and 10 -2 A.
  • the drift volume that is to say the distance to be traveled by the charges before their collection by the electrodes 60 and 62, is reduced due to the small sensitive volume of the electrodes 60 and 62.
  • the combination of the reduction in the number of pairs of ions generated and the reduction in the path makes it possible to prevent the occurrence of saturation in the first sensor 46 while preserving an electrical signal certainly having an amplitude admittedly lower than the chamber usual ionization but still detectable by the high dynamic range electronic circuit 65.
  • the pillar or pillars 64 limit the possibility of the electrodes 60, 62 deforming, for example under the effect of electrical attraction, and thus disturbing the measurement.
  • the first sensor 46 is therefore more precise and more reliable than it would be in the absence of pillar(s).
  • the small distance between the electrodes 60, 62 makes such a deformation, in the absence of pillar(s) 64, more probable and greater.
  • the ionization chamber 52 is fabricated using techniques derived from microelectronics.
  • PECVD plasma deposition
  • the first sensor 46 supplies in real time a signal representative of the beam generated by the particle accelerator 24, and this without saturation phenomenon even in the presence of an intense beam. Otherwise formulated, the first sensor 46 is capable of measuring a beam generated by a particle accelerator 24, and of providing with precision information relating to the geometry of the beam in real time and which is, preferably of reduced size and easy to implement.
  • Controller 28 uses this signal to control particle accelerator 24.
  • the controller 28 is, for example, a computer or a dedicated computer.
  • the controller 28 is thus able to ensure the dose applied by the particle accelerator 24.
  • control uses the real-time characterization of the beam by the first sensor 46, and optionally by the second sensor 50, if such a second sensor is present.
  • Such control can be improved by adding spatial information to the beam.
  • At least one of the electrodes 60 or 62 and in particular the anode 60 is cut into several adjacent zones, electrically insulated from each other. This also makes it possible to obtain a spatial measurement of the power transported by the beam passing through the detector.
  • the anode 62 is separated into four quarter circles.
  • high power particle accelerators are also used in the industrial field (crosslinking, polymer grafting, sterilization).
  • the first detector could thus be adapted for the adjustment and monitoring of industrial processes.
  • the first detector is used in the measurement of small fields (sizes less than 2 ⁇ 2 cm 2 ) of irradiation in conventional radiotherapy.
  • the first detector 46 is used for non-destructive characterization of materials for industrial use. Such a first detector 46 then offers improved spatial resolution.
  • the target 42 is not present.
  • the output beam used to process the subject 12 is then the initial beam.
  • the ionization chamber 52 has good transparency despite the fact that an incident beam passes through the two electrodes 60 and 62.
  • the ionization chamber 52 has an attenuation of an incident flux less than or equal to 1%, preferably less than or equal to 0.5%.
  • the attenuation is calculated here as the ratio between on the one hand the difference between the intensity of the incident flux and the intensity of the outgoing flux and on the other hand the intensity of the incident flux. This property implies in particular that the two electrodes 60 and 62 have good transparency.
  • the electrodes 60 and 62 also have good mechanical strength and allow good heat removal.
  • the electrodes 60 and 62 are relatively thin.
  • electrodes 60 and 62 have a thickness of between 5 ⁇ m and 500 ⁇ m, preferably between 10 ⁇ m and 100 ⁇ m.
  • Examples of embodiments of electrodes 60 and 62 have been proposed with an electrically conductive film 66 and a stack of layers 70 comprising four layers 72, 74, 76 and 78 with alternating layers of insulating material and conductive material (typically Al2O3 and Ti ).
  • the electrodes 60 and 62 with a film 66 which is electrically insulating.
  • the film 66 is surrounded by two layers of conductive material, for example copper.
  • the film 66 is generally surrounded by two stacks of layers 70 deposited on either side of the film 66 and which are made of electrically conductive materials.
  • the copper layers have the same thickness of between 5 ⁇ m and 35 ⁇ m, in particular here 18 ⁇ m for a thickness of the film 66 of 25 ⁇ m.
  • the pillars 64 are similarly made of a kapton layer surrounded by two electrically conductive layers, for example copper.
  • the copper layers have the same thickness of 5 ⁇ m for a thickness of the kapton layer of 12.5 ⁇ m.
  • each pillar 64 is made of kapton (no presence of copper layers).
  • each pillar 64 has a thickness of between 1 ⁇ m and 25 ⁇ m.
  • electrodes 60 and 62 further apart, in particular separated by a distance of between 10 ⁇ m and 25 ⁇ m, preferably between 10 ⁇ m and 20 ⁇ m.
  • each electrode 60 and 62 are separated by a distance comprised between 1 ⁇ m and 25 ⁇ m.
  • each electrode 60 and 62 is a stack 70 of layers superimposed on an insulating film 66 performing an electrical insulation function.
  • the film 66 has a thickness of between 10 ⁇ m and 100 ⁇ m, in particular 25 ⁇ m.
  • the use of a polyimide film 66 makes it possible to produce each electrode 60 and 62 more easily, in particular without the use of plasma deposition.

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Abstract

L'invention concerne un capteur de mesure d'un flux de rayonnement généré par un accélérateur de particules, le capteur de mesure comportant deux électrodes (60, 62) délimitant un volume de mesure, les électrodes (60, 62) étant séparées par une distance comprise entre 1 micromètre et 25 micromètres, les électrodes (60, 62) étant reliées par au moins un pilier (64) comportant au moins une partie en matériau isolant.

Description

Capteur de mesure du flux de rayonnement issu d’un accélérateur de particules
La présente invention concerne un capteur de mesure du flux de rayonnement issu d’un accélérateur de particules. La présente invention se rapporte également à des systèmes comportant un tel capteur de mesure, comme un système de mesure, une tête de traitement d’accélérateur de particules, et une installation, notamment une installation de radiothérapie ou un accélérateur de particules, comportant une telle tête de traitement.
Des installations générant un rayonnement ionisant et mesurant l’intensité de ce rayonnement sont utilisées dans de nombreuses applications. Ce rayonnement ionisant peut être de différentes nature : faisceau de photons, d’électrons, de protons ou encore d’ions chargés.
Dans le domaine du soin des tumeurs d’un sujet, le traitement par radiothérapie est, par exemple, d’usage courant et consiste à exposer la zone comportant la tumeur à un rayonnement destiné à détruire les cellules cancéreuses en bloquant leur capacité à se multiplier.
Un tel traitement est réalisé par une installation de radiothérapie.
Une installation de radiothérapie comporte un accélérateur de particules délivrant des faisceaux d’irradiation de structure temporelle pulsée. Le cycle utile est typiquement de 4 microsecondes (ps) d’irradiation, suivi de 3 millisecondes (ms) à 4 ms de pause et le cycle recommence.
Un tel faisceau est contrôlé par une ou plusieurs chambre(s) d’ionisation à transmission. Une telle chambre d’ionisation comporte un volume gazeux interne d’épaisseur millimétrique, généralement de l’air, enserré entre deux électrodes planes externes, parallèles entre elles. Lorsque le rayonnement ionisant traverse la chambre d’ionisation, généralement en incidence normale, le volume gazeux interne est ionisé. Ces ions sont créés en quantité proportionnelle à la puissance véhiculée par le faisceau traversant, et dépendent aussi du facteur de qualité du faisceau (distribution spectrale). Les ions créés dérivent vers des électrodes de collecte de la chambre d’ionisation. Le déplacement des ions positifs et négatifs pendant leur dérive vers les électrodes de collecte induit un signal électrique. Une fois au contact des électrodes, les ions sont absorbés dans le métal de l’électrode. Les électrodes sont reliées à l’extérieur du capteur à un dispositif de polarisation et à un système d’accumulation des charges générées. Ceci entraîne la création d’un signal proportionnel à la puissance du faisceau traversant la chambre d’ionisation.
Cette information, combinée à une procédure d’étalonnage, permet d’assurer que la dose délivrée à un patient lors d’une radiothérapie est bien celle attendue avec une précision meilleure que le pour cent. Par définition, la dose est l’énergie absorbée par la cible et s’exprime en Gray (1 Gray = 1 Joule par kg).
Une chambre d’ionisation peut, en outre, avoir au moins une de ses électrodes, anode et/ou cathode, segmentée spatialement pour définir des surfaces juxtaposées séparées électriquement. Les surfaces ainsi définies peuvent prendre des formes variées : sous forme de pixels carrés, de polygones quelconques, de secteurs circulaires, d’anneaux, etc. Le signal recueilli sur une surface est proportionnel à la puissance véhiculée par le faisceau à l’aplomb de cette surface. Ceci permet la mesure de la distribution spatiale de l’énergie du faisceau.
Ainsi, la chambre permet la mesure de la puissance transmise et la répartition spatiale de cette puissance dans le plan perpendiculaire à la propagation du faisceau.
La radiothérapie flash est une technique de radiothérapie spécifique apportant un meilleur contrôle tumoral pour certains types de cancers notamment grâce au dépôt de la dose totale en une fraction de seconde dans la tumeur, alors que dans les traitements usuels, la dose est délivrée en plusieurs dizaines de secondes, voire en quelques minutes.
Pour cela, les installations de radiothérapie adaptées pour mettre en œuvre cette technique de radiothérapie flash utilisent des accélérateurs de particules permettant d’obtenir des débits de dose de 10 Gray par seconde (Gy/s), voire 100 Gy/s (le débit de dose est, par définition, la mesure de la dose déposée dans les tissus en une seconde. Par comparaison, les accélérateurs de particules des installations de radiothérapie usuelle permettent d’obtenir des débits de dose de l’ordre de 0,1 Gy/s. Cela implique qu’une impulsion d’un accélérateur de particules pour radiothérapie flash peut comporter jusqu’à 1000 fois plus de particules qu’une impulsion d’un accélérateur de particules pour radiothérapie conventionnelle.
Les ions positifs et négatifs générés dans le volume interne de la chambre dérivent vers les électrodes, selon leur polarité et sont sujets à des phénomènes de recombinaison par annihilation des charges positives avec les charges négatives. Dans un appareil de radiothérapie conventionnel, le taux de recombinaison est négligeable. Dans le cas d’un accélérateur de très forte puissance à fort débit de dose, ce phénomène de recombinaison devient significatif.
Il en résulte que le signal obtenu en sortie de la chambre d’ionisation s’en trouve réduit d’une quantité impossible à déterminer : on dit alors que la chambre entre en zone de saturation. Une telle saturation fait que la chambre d’ionisation perd la linéarité de sa réponse qui n’est plus proportionnelle à la puissance du faisceau qui traverse la chambre d’ionisation. Cette perte de linéarité ne permet pas la mesure de la dose délivrée sur le sujet avec la précision nécessaire en radiothérapie, notamment lorsque la puissance du rayonnement est très élevée.
Pour compenser un tel effet, il est connu d’utiliser des modélisations de la saturation de la chambre d’ionisation en fonction de la puissance du faisceau généré, notamment par le biais d’une technique de Monte-Carlo, dans le but de compenser la non-linéarité.
Néanmoins, la complexité de la simulation rend impossible l’utilisation d’une telle technique sur tout type d’accélérateur de particules et la précision obtenue en pratique dans la dose obtenue est encore imparfaite.
Il est également connu de mesurer l’intensité moyenne du faisceau en temps réel par mesure du courant induit dans une bobine par le faisceau. Toutefois, aucune information sur la distribution spatiale de la puissance du faisceau n’est disponible dans ce cas.
Il existe donc un besoin pour un capteur de mesure d’un faisceau de rayonnement issu d’un accélérateur de particules capable de fournir avec précision une information relative à la puissance d’un faisceau de forte puissance en temps réel, ainsi que la distribution spatiale de cette puissance et qui présente, de préférence, un encombrement réduit et une mise en œuvre aisée.
A cet effet, la description décrit un capteur de mesure d’un flux de rayonnement généré par un accélérateur de particules, le capteur de mesure comportant deux électrodes délimitant un volume de mesure, les électrodes étant séparées par une distance comprise entre 1 micromètre et 25 micromètres, les électrodes étant reliées par au moins un pilier comportant au moins une partie en matériau isolant.
Selon des modes de réalisation particuliers, le capteur de mesure présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- les électrodes présentent une épaisseur comprise entre 5 micromètres et 500 micromètres, de préférence entre 10 micromètres et 100 micromètres.
- le capteur de mesure présente une atténuation d’un flux incident inférieure ou égale à 1 %, de préférence inférieure ou égale à 0,5%.
- les électrodes sont séparées par une distance comprise entre 1 micromètre et 10 micromètres.
- les électrodes sont reliées par un ensemble de piliers, chaque pilier comportant au moins une partie en matériau isolant.
- les piliers sont réalisés par une alternance de premières couches et de deuxièmes couches, la première couche étant réalisée en un matériau électriquement conducteur, notamment du Ti, et la deuxième couche étant réalisée en un matériau isolant, notamment de l’ALOs.
- chaque électrode comporte un empilement de couches superposées sur un film métallique, l’empilement de couches réalisant une fonction d’isolement électrique.
- l’empilement de couches superposées comporte une alternance d’au moins une paire de couche électriquement isolante et de couche électriquement conductrice.
- au moins une couche électriquement conductrice, notamment la couche électriquement conductrice la plus proche de l’autre électrode, est réalisée en titane.
- chaque électrode comporte au moins une couche conductrice sur chaque face d’un film, le film réalisant une fonction d’isolement électrique.
- le film est réalisé en polyimide.
La description propose aussi un détecteur de mesure d’un flux de rayonnement issu d’un accélérateur de particule comportant un capteur de mesure tel que précédemment décrit et un circuit électronique d’acquisition du signal mesuré par le capteur de mesure.
La description décrit aussi un système de mesure comportant un capteur de mesure tel que précédemment décrit ou un détecteur de mesure tel que précédemment décrit et éventuellement un capteur de mesure de la puissance moyenne du faisceau de rayonnement.
La description propose aussi une tête de traitement d’un accélérateur de particules comportant un système de mesure tel que précédemment décrit.
La description décrit aussi une installation, notamment une installation de radiothérapie ou un accélérateur de particules comprenant la tête de traitement précédemment décrite.
Des caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique d’une installation de radiothérapie,
- la figure 2 est une vue schématique d’un accélérateur de particules faisant partie de l’installation de radiothérapie de la figure 1 ,
- la figure 3 est une représentation schématique d’une vue en coupe d’une partie d’un détecteur du flux généré par l’accélérateur de particules de la figure 2, et
- la figure 4 est une représentation agrandie de la zone IV visible sur la figure 3.
Une installation de radiothérapie 10, simplement installation 10 dans la suite, est illustrée sur la figure 1.
L’installation 10 est propre à mettre en œuvre une technique de radiothérapie sur un sujet. Il est à noter que selon des variantes envisageables, l’installation 10 est une installation de radiographie, ou encore un autre type d’installation 10 à usage industriel, comme cela apparaîtra par la suite.
Le sujet 12 est généralement un humain mais pourrait aussi être un mammifère, notamment en rongeur, dans le cadre d’essais cliniques par exemple.
En l’espèce, l’installation 10 est propre à mettre en œuvre une technique de radiothérapie flash.
L’installation 10 comporte une table de traitement 14, un système d’imagerie 16, un système de communication 18, un système de contrôle 20 et un appareil de radiothérapie 22.
Le sujet 12 repose sur la table de traitement 14.
Le système d’imagerie 16 sert à faire une image en continu ou à positionner le sujet 12 sur la table de traitement 14, en particulier au début du traitement, notamment pour s’assurer que le traitement est bien appliqué au bon endroit.
Le système d’imagerie 16 est, par exemple, un imageur portai ou un système d’imagerie embarqué. Toutefois, de nombreux types de systèmes d’imagerie 16 sont envisageables.
L’expression « imageur portai » désigne un imageur disposé en aval du sujet 12.
Le système de communication 18 permet qu’un opérateur placé à distance (généralement une autre salle pour éviter que l’opérateur soit exposé aux rayons) puisse communiquer avec le sujet 12.
Par exemple, le système de communication 18 est un haut-parleur en liaison avec un microphone placé à proximité de l’opérateur.
Le système de contrôle 20 permet de contrôler différents systèmes dont notamment le système d’imagerie 16, l’appareil de radiothérapie 22 et le système de communication 18.
Le système de contrôle 20 est, par exemple, un ordinateur comme visible sur la figure 1.
L’appareil de radiothérapie 22 est l’appareil qui applique des rayons au sujet 12 en respectant la dose à appliquer (celle-ci ayant été fixée préalablement par un médecin).
L’appareil de radiothérapie 22 de la figure 1 est un appareil 22 de haute puissance, c’est-à-dire un appareil permettant de générer des faisceaux présentant un débit de dose supérieur ou égal à 0,1 Gy/s, par exemple supérieur ou égal à 1 Gy/s, notamment supérieur ou égal à 5 Gy/s, en particulier compris entre 20 Gy/s et 100 Gy/s.
L’appareil de radiothérapie 22 est, notamment, configuré pour générer un faisceau appelé « faisceau de sortie ».
L’appareil de radiothérapie 22 est décrit plus précisément en référence à la figure 2. L’appareil de radiothérapie 22 comporte un accélérateur de particules 24, une tête de traitement 26 et un contrôleur 28.
L’accélérateur de particules 24 est propre à accélérer des particules, en l’occurrence des électrons.
L’accélérateur de particules 24 est, notamment, configuré pour générer un faisceau d’électrons, appelé « faisceau initial ».
L’accélérateur de particules 24 comporte une source à électrons 30, une alimentation 32, un modulateur 34, un guide d’ondes d’accélération 36 et un klystron 38.
La source à électrons 30 est propre à générer le faisceau initial. Dans l’exemple décrit, la source à électrons 30 est un canon à électrons.
L’alimentation 32 et le modulateur 34 alimentent la source à électrons 30.
Plus précisément, cet ensemble fournit des impulsions de tension avec un champ électrique compris typiquement de 4 à 24 millions de volts par mètre.
Le guide d’ondes d’accélération 36 permet d’accélérer le faisceau initial généré par la source d’électrons sous l’effet du klystron.
Le klystron 38 est également alimenté par l’alimentation 32 et le modulateur 34 et est propre à générer des ondes radiofréquences.
Ces ondes radiofréquences sont envoyées au guide d’ondes d’accélération 36.
En variante, le klystron 38 est un magnétron.
En sortie de l’accélérateur de particules 24, c’est-à-dire en sortie du guide d’ondes d’accélérations 36, un faisceau d’électrons à haute vitesse est ainsi obtenu.
La tête de traitement 26 sert à diriger, mettre en forme et contrôler le faisceau de sortie qui sera envoyé au sujet 12. En particulier, la tête de traitement 26 est propre à générer le faisceau de sortie à partir du faisceau initial.
La tête de traitement 26 est reliée à la sortie de l’accélérateur de particules 24 (en amont) et est placée en face de la zone à traiter du sujet 12 (aval).
La tête de traitement 26 comporte, depuis l’amont vers l’aval, les éléments suivants : un moyen de déviation 40, une cible 42, une première unité de mise en forme 44, un premier capteur 46, une deuxième unité de mise en forme 48 et, optionnellement, un deuxième capteur 50.
Le guide d’ondes d’accélération 36, la cible 42 et le moyen de déviation 40 sont agencés pour que la cible soit impactée par le faisceau initial.
Le moyen de déviation 40 est inséré entre le guide d’ondes d’accélération 36 et la cible 42, le moyen de déviation 40 permettant d’obtenir un angle de déviation de 90°. D’autres angles de déviation sont bien entendu possibles selon les configurations considérées. En outre, dans certains cas, le moyen de déviation 40 n’est pas présent, c’est alors uniquement le guide d’ondes d’accélération 36 et la cible 42 qui sont agencés pour que la cible 42 soit impactée par le faisceau initial.
La cible 42 est une cible à rayons X.
Lorsque la cible 42 est impactée par le faisceau initial, il est généré le faisceau de sortie. Le faisceau de sortie est, notamment, un faisceau de rayons X.
Un faisceau de rayons X est un rayonnement électromagnétique à haute fréquence constitué de photons dont l'énergie varie de 100 électron-volt, jusqu’à plusieurs dizaines de mégaélectron-volt.
La première unité de mise en forme 44 est propre à mettre en forme le faisceau de sortie généré après la cible 42.
Plus spécifiquement, selon l’exemple proposé, la première unité de mise en forme 44 est une unité de collimation.
Le premier capteur 46 est configuré pour contrôler le faisceau de sortie en interaction avec le contrôleur 28
En particulier, le premier capteur 46 est configuré pour mesurer une puissance du faisceau de sortie.
De manière optionnelle, comme il apparaîtra par la suite, le premier capteur 46 est configuré pour fournir en sortie une information spatiale sur la densité de puissance qui le traverse.
Le premier capteur 46 est un capteur à transmission qui est transparent pour le faisceau de sortie qui le traverse.
Le premier capteur 46 comporte au moins une chambre à ionisation 52 (également appelée « chambre d’ionisation ») et un module de contrôle 53.
En variante, le premier capteur 46 comporte deux chambres à ionisation 52 disposées successivement selon le trajet du faisceau de sortie.
Aussi, du fait d’un tel mode de réalisation, le capteur 46 peut être considéré comme un détecteur et les chambres à ionisation 52 comme un capteur de mesure.
La chambre à ionisation 52 sera décrite plus bas.
La deuxième unité de mise en forme 48 est propre à mette en forme le faisceau de sortie se propageant après le premier capteur 46.
Le deuxième capteur 50 est configuré pour mesurer une puissance du faisceau initial.
Le deuxième capteur 50 comporte, par exemple, une bobine 56 et un capteur de courant de bobine 58, de manière connue en soi. En variante, le deuxième capteur 50 comporte au moins une chambre à ionisation 52, le deuxième capteur 50 étant notamment identique au premier capteur 46. Selon l’exemple décrit, le deuxième capteur 50 se trouve entre la cible 42 et le moyen de déviation 40.
Une vue en coupe d’une chambre à ionisation 52 présente dans le premier capteur 46 est représentée sur la figure 3.
La figure 3 représente une vue schématique partielle en coupe de la chambre à ionisation 52. Les dimensions ne sont pas respectées afin de montrer tous les éléments pertinents sur le même dessin.
La chambre à ionisation 52 comporte deux électrodes 60 et 62, à savoir une anode 60 et une cathode 62, au moins un pilier 64, par exemple un ensemble de piliers 64, et deux organes d’acquisition 65.
Les deux électrodes 60 et 62 sont parallèles et se font face.
Les deux électrodes 60 et 62 s’étendent ainsi principalement selon un plan et présentent une épaisseur selon une direction perpendiculaire dite direction d’empilement et repérée par un Z sur la figure 3.
La chambre à ionisation 52 est notamment prévue pour que le faisceau de sortie traverse selon la direction d’empilement Z les deux électrodes 60 et 62 ainsi que le volume qui les sépare.
Le volume séparant les électrodes 60, 62 est délimité selon la direction Z par ces deux électrodes. Ce volume contient un gaz qui est par exemple de l’air, bien que d’autres gaz tels que le dihydrogène, l’hélium, le diazote, le néon, l’argon, le krypton, le xénon, le dioxyde de carbone, le méthane ou le butane soient envisageables, sous forme de gaz pur ou de mélange.
Chaque épaisseur d’une couche est définie dans ce qui suit selon la direction d’empilement Z.
Dans l’exemple décrit, chaque électrode 60 et 62 présente la forme d’un disque.
Le diamètre du disque est compris entre 6 centimètres (cm) et 15 cm.
Selon l’exemple décrit, le diamètre de chaque électrode 60 et 62 est égal à 11 cm.
La distance d entre les électrodes 60 et 62 est comprise entre 1 micromètre (pm) et 10 pm.
Selon l’exemple proposé, la distance d entre les électrodes 60 et 62 est égale à 5 pm.
Lorsque les électrodes 60 et 62 et le volume de gaz entre les électrodes sont traversés par le faisceau de sortie, une partie du gaz est ionisée par le faisceau de sortie et, selon le mécanisme expliqué précédemment de dérive des ions, un signal électrique proportionnel à la puissance du faisceau de sortie est généré sur les électrodes 60, 62 et mesuré par le module de contrôle 53, qui en déduit la valeur de la puissance du faisceau de sortie. Le volume de gaz compris entre les surfaces des électrodes 60 et 62 est le volume sensible du capteur de mesure 46.
Chacune des deux électrodes 60 et 62 comporte un film 66 tendu sur un support 68 mécanique en forme d’anneau circulaire et un empilement 70 de couches superposées.
Chaque film 66 est électriquement conducteur, en particulier métallique.
Par exemple, le film 66 est en acier inox, notamment en acier inox 316 selon la dénomination de la norme AISI (abréviation du terme « American Iron and Steel Institute ») des Etats-Unis.
Un tel matériau présente une rigidité suffisante en faible épaisseur, résiste à la corrosion et évacue raisonnablement la chaleur.
En variante, le film 66 est en aluminium pour profiter de ses bonnes propriétés d’évacuation de la chaleur et de faible interaction avec le faisceau incident, qui permet donc d’en améliorer la transparence.
Le film 66 présente une épaisseur comprise entre 6 pm et 100 pm.
En variante, le film 66 est une plaque de graphite pour profiter de ses très bonnes propriétés de conduction thermique et électrique, et permet de réduire encore l’interaction avec le faisceau incident, avec une transparence optimale.
Dans ce cas, la plaque 66 présente une épaisseur comprise entre 100 pm et 300 pm.
L’empilement 70 de couches superposées est déposé sur le film 66.
L’empilement 70 de couches comporte quatre couches 72, 74, 76 et 78.
Il est à noter que le nombre de couches pour l’empilement 70 de couches peut varier.
Chaque couche 72, 74, 76 et 78 présente une épaisseur comprise entre 50 nm et 200 nm.
Selon l’exemple décrit, chaque couche 72, 74, 76 et 78 présente la même épaisseur.
Ici, l’épaisseur commune aux quatre couches 72, 74, 76 et 78 est de 100 nm.
L’empilement 70 comporte, depuis le film 66 vers la partie en contact avec le faisceau de sortie incident, une alternance de couches 72, 74, 76 et 78, une couche isolante 72, puis une couche électriquement conductrice 74 puis à nouveau une couche isolante 76 et une couche électriquement conductrice 78.
Un tel empilement 70 permet une isolation galvanique par utilisation de l’effet Faraday permettant de préserver l’intégrité des signaux recueillis des perturbations électromagnétiques présentes dans l’environnement extérieur du premier capteur 46.
Chaque électrode 60 et 62 est ainsi un empilement 70 de couches superposées sur un film 66 métallique réalisant une fonction d’isolement électrique.
Par exemple, les couches isolantes 72 et 76 sont réalisées en AI2O3 ou en SiOs ou en MgF2. Le matériau dans lequel les couches électriquement conductrices 74 et 78 sont réalisées est le titane (Ti). En particulier, la couche 78 la plus proche de l’autre électrode 60, 62 est en titane.
Le titane présente l’avantage d’un faible nombre atomique qui favorise une faible interaction avec le faisceau incident, mais surtout, dans sa forme oxydée, le TiO reste conducteur.
En variante, la couche électriquement conductrice 74 et 78 est réalisée en métal noble : or (Au), argent (Ag), rhodium (Rh), osmium (Os), palladium (Pd), ruthénium (Ru) , iridium (Ir), platine (Pt), Nickel-Or (Ni-Au), oxyde de tungstène (WxOy) ou tout autre métal dont la forme oxydée est conductrice.
Il est notamment entendu par « forme oxydée conductrice » une forme oxydée présentant une conductivité électrique de 100 S.m-1 ou plus.
Un ensemble de piliers 64 est présent entre les électrodes 60 et 62.
Cela signifie que chaque pilier 64 s’étend depuis la surface d’une électrode 60 et 62 à l’autre dans le volume sensible de la chambre à ionisation 52 .
Les piliers 64 sont des piliers de maintien dans la mesure où les piliers 64 sont adaptés pour maintenir constante la distance entre les électrodes même en présence de l’attraction électrique entre les électrodes 60 et 62 lorsque celles-ci sont polarisées.
Les piliers 64 assurent également l’isolation électrique entre les électrodes 60 et 62, et l’uniformité de la réponse spatiale qui dépend du volume sensible.
Comme représenté schématiquement sur la figure 4, chaque pilier 64 est réalisé par une alternance de matériaux.
Plus spécifiquement, chaque pilier 64 de l’ensemble de piliers 64 comporte une alternance de première couche 80 et de deuxième couche 82.
Plus précisément, chaque pilier 64 est un empilement 84 de couches superposées comportant un ensemble de bicouches 86 formées par une première couche 80 et une deuxième couche 82 (la deuxième couche 82 de la première bicouche étant en contact avec la surface de la couche 78 de la cathode 62) et une unique couche 92, cette couche 92 étant en contact avec la surface de la couche 78 de l’anode 60 et réalisée dans le même matériau que les deuxièmes couches 82.
Une telle alternance permet d’homogénéiser le champ électrique entre les deux électrodes.
Chaque première couche 80 est réalisée en un matériau électriquement conducteur et chaque deuxième couche 82 est réalisée en un matériau électriquement isolant.
Selon l’exemple proposé, le matériau isolant est du AI2O3.
En variante, le matériau isolant est du SiOs, ou encore du MgF2. La première couche 80 présente une première épaisseur comprise entre 25 nanomètres (nm) et 75 nm.
Ici, la première épaisseur est égale à 50 nanomètres.
Selon l’exemple proposé, le matériau électriquement conducteur est du titane (Ti).
En variante, le matériau électriquement conducteur est de l’or ou tout métal dont la forme oxydée est conductrice tel que décrit précédemment.
La deuxième couche 82 présente une deuxième épaisseur comprise entre 75 nm et 125 nm.
Ici, la deuxième épaisseur est égale à 100 nanomètres.
Selon l’exemple décrit, le rapport entre la première épaisseur et la deuxième épaisseur est compris entre 0,1 et 10, de préférence égal à 0,5.
Chaque pilier 64 présente la forme d’un cylindre présentant une forme de base et une hauteur.
Selon l’exemple proposé, la forme de base est un disque.
De plus, le disque présente un diamètre compris entre 25 pm et 75 pm.
Dans le cas de la figure 4, le diamètre est égal à 50 pm.
En variante, la forme de base est un carré ou un polygone quelconque.
La hauteur est égale à la distance d entre les électrodes 60 et 62.
Dans l’exemple proposé, la hauteur de chaque pilier 64 est égale à 5 pm.
Lorsqu’un unique pilier 64 est présent, le pilier 64 est, par exemple, disposé au centre de la surface de l’une des électrodes 60, 62.
Lorsqu’une pluralité de piliers 64 sont présents, les piliers 64 sont répartis sur la surface de l’une des électrodes 60 et 62 selon un agencement bidimensionnel.
Dans notre cas, les piliers 64 sont répartis sur la surface de la cathode 62.
L’agencement bidimensionnel permet d’assurer que les piliers 64 soient sensiblement équirépartis sur la surface de l’électrode.
Dans l’exemple proposé, l’agencement bidimensionnel est un agencement régulier.
L’agencement bidirectionnel peut être circulaire, polaire, hexagonal ou irrégulier.
Par exemple, l’agencement est tel que les piliers 64 sont espacés d’un premier pas selon une première direction et d’un deuxième pas selon une deuxième direction, les deux directions étant perpendiculaires entre elles et à la direction d’empilement Z.
Dans l’exemple proposé, le premier pas et le deuxième pas sont égaux.
Chaque pas est compris entre 50 pm et 500 pm.
Dans le cas de la figure 4, chaque pas est égal à 250 pm. En outre, l’agencement bidimensionnel est tel que chaque pilier 64 est aligné avec d’autres piliers 64 selon une première ligne et encore d’autres piliers 64 selon une deuxième ligne, les deux lignes étant perpendiculaires.
Selon un autre mode de réalisation, chaque pilier 64 est réalisé en un matériau isolant.
Dans chacun des cas, les piliers 64 comportent au moins une partie en matériau isolant.
Chaque organe d’acquisition 65 est configuré pour recevoir un courant d’ionisation d’une électrode 60, 62 correspondante, et pour transmettre le courant reçu au module de contrôle 53. Chaque organe d’acquisition 65 est, par exemple, une électronique d’acquisition des signaux générés par les électrodes.
Chaque organe d’acquisition 65 est, par exemple, une carte de circuit imprimé. Il est à noter que, si le module de contrôle 53 est représenté sur la figure 2 comme étant distant des organes d’acquisition 65, il est en variante porté par l’une ou l’autre des deux cartes, ou encore formé par la réunion de ces deux cartes.
Selon l’exemple de la figure 3, la chambre à ionisation comporte en périphérie des éléments de couplage 67 reliant chacun une électrode 60, 62 à un organe d’acquisition 65 correspondant et permettant de polariser les électrodes 60, 62 et de recueillir les signaux générés par le déplacement des ions créés dans le volume sensible.
Les organes d’acquisition 65 encadrent, ensemble, les électrodes 60, 62, qui sont en d’autres termes interposées selon la direction Z entre les deux organes d’acquisition.
En particulier, chaque organe d’acquisition 65 est configuré pour recevoir le courant d’ionisation d’une électrode 60, 62, l’autre électrode 62, 60 étant interposée entre l’organe d’acquisition 65 et l’électrode 60, 62 dont il est configuré pour recevoir le courant d’ionisation.
Chaque élément de couplage 67 relie, notamment, la couche 78 d’une électrode 60, 62 à l’organe d’acquisition 65 correspondant à l’électrode 60, 62 considérée.
Chaque élément de couplage 67 traverse, par exemple, une électrode 60, 62 pour relier l’autre électrode 62, 60 à l’organe d’acquisition 65 correspondant. Cela permet alors de faciliter la connexion de la couche 78 à l’élément de couplage 67, puisque celui-ci est disposé du même côté du film 66 que la couche 78 et peut aisément venir en appui contre elle.
L’électronique acquisition est propre à détecter des signaux de faible amplitude, typiquement des courants entre 10-12 Ampères (A) et 10-2 A.
Le fonctionnement d’un tel premier capteur 46 a fait l’objet de simulation expérimentale par la demanderesse. Avec une distance inter-électrodes 60 et 62 de 5 pm, l’application de la loi de Poisson qui donne la probabilité de créer au moins une paire d’ions donne qu’en moyenne 0,015 ions générés en moyenne. Cela implique que 1 ,5% des électrons ayant traversé le premier capteur 46 vont donner naissance à au moins une paire d’ions. Par rapport à une chambre d’ionisation usuelle, cela représente une réduction d’un facteur 500 du nombre de paires d’ions.
En outre, le volume de dérive, c’est-à-dire la distance à parcourir par les charges avant leur collecte par les électrodes 60 et 62, est diminué du fait du faible volume sensible des électrodes 60 et 62.
La combinaison de la réduction du nombre de paires d’ions générés et de la diminution du parcours permet d’empêcher la survenue d’une saturation dans le premier capteur 46 tout en conservant un signal électrique présentant certes une amplitude certes plus faible que la chambre d’ionisation usuelle mais encore détectable par le circuit électronique 65 à grande gamme dynamique.
Le ou les piliers 64 limitent la possibilité que les électrodes 60, 62 ne se déforment, par exemple sous l’effet de l’attraction électrique, et perturbent ainsi la mesure. Le premier capteur 46 est donc plus précis et plus fiable qu’il ne le serait en l’absence de pilier(s).
La faible distance entre les électrodes 60, 62 rend une telle déformation, en l’absence de pilier(s) 64, plus probable et plus importante.
Des simulations de la demanderesse ont montré que les piliers 64 ne perturbent que très faiblement les lignes de champ électrique que vont suivre les ions pendant leur dérive vers les électrodes 60 et 62.
En outre, la simulation du comportement thermique de la chambre à ionisation 52 en présence d’un faisceau de puissance dans des conditions d’usage réel ont montré que la température maximale atteinte au point le plus chaud de la chambre à ionisation 52 est bien inférieure à la température de fusion des matériaux présents dans la chambre à ionisation 52.
La chambre à ionisation 52 est fabriquée par utilisation de techniques issues de la microélectronique.
En particulier, parmi ces techniques, il peut être cité le dépôt plasma plus souvent désigné sous le terme de PECVD. Une telle abréviation renvoie à la dénomination anglaise de « Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition » qui signifie littéralement dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma.
Du fait d’un tel fonctionnement, le premier capteur 46 fournit en temps réel un signal représentatif du faisceau généré par l’accélérateur de particules 24, et ce sans phénomène de saturation même en présence d’un faisceau intense. Autrement formulé, le premier capteur 46 est capable de mesurer un faisceau généré par un accélérateur de particules 24, et de fournir avec précision une information relative à la géométrie du faisceau en temps réel et qui soit, de préférence d’encombrement réduit et de mise en œuvre aisée.
Le contrôleur 28 utilise ce signal pour contrôler l’accélérateur de particules 24.
Le contrôleur 28 est, par exemple, un calculateur ou un ordinateur dédié.
Le contrôleur 28 est ainsi propre à assurer la dose appliquée par l’accélérateur de particules 24.
Pour cela, le contrôle utilise la caractérisation en temps réel du faisceau par le premier capteur 46, et optionnellement par le deuxième capteur 50, si un tel deuxième capteur est présent.
Un tel contrôle peut être amélioré en ajoutant une information spatiale sur le faisceau.
Pour cela, selon une variante, au moins une des électrodes 60 ou 62 et notamment l’anode 60 est découpée en plusieurs zones adjacentes, isolées électriquement les unes des autres. Cela permet d’obtenir, en outre, une mesure spatiale de la puissance transportée par le faisceau qui traverse le détecteur.
A titre d’exemple particulier, l’anode 62 est séparée en quatre quart de cercles.
Il est enfin à noter qu’un tel contrôle du faisceau produit par un accélérateur de particules 24 est avantageux dans d’autres cas.
En effet, les accélérateurs de particules à haute puissance sont aussi utilisés dans le domaine industriel (réticulation, greffage de polymères, stérilisation). Le premier détecteur pourrait ainsi être adapté pour le réglage et le suivi des processus industriels.
A titre d’exemple particulier, le premier détecteur est utilisé dans la mesure des petits champs (tailles inférieures à 2x2 cm2) d’irradiation en radiothérapie conventionnelle.
Selon un autre exemple, le premier détecteur 46 est utilisé pour une caractérisation non destructive des matériaux à usage industriel. Un tel premier détecteur 46 offre alors une résolution spatiale améliorée.
Selon une variante, la cible 42 n’est pas présente. Le faisceau de sortie utilisé pour traiter le sujet 12 est alors le faisceau initial.
Il peut également être noté que la chambre à ionisation 52 présente une bonne transparence malgré le fait qu’un faisceau incident traverse les deux électrodes 60 et 62.
Ainsi, la chambre à ionisation 52 présente une atténuation d’un flux incident inférieure ou égale à 1%, de préférence inférieure ou égale à 0,5%.
L’atténuation est ici calculée comme le rapport entre d’une part la différence entre l’intensité du flux incident et l’intensité du flux sortant et d’autre part l’intensité du flux incident. Cette propriété implique en particulier que les deux électrodes 60 et 62 présentent une bonne transparence.
Les électrodes 60 et 62 présentent également une bonne tenue mécanique et permettent une bonne évacuation de la chaleur.
Pour cela, les électrodes 60 et 62 sont relativement fines. Typiquement, les électrodes 60 et 62 présentent une épaisseur comprise entre 5 pm et 500 pm, de préférence entre 10 pm et 100 pm.
Des exemples de réalisation des électrodes 60 et 62 ont été proposées avec un film 66 électriquement conducteur et un empilement de couches 70 comportant quatre couches 72, 74, 76 et 78 avec une alternance de couches en matériau isolant et matériau conducteur (typiquement AI2O3 et Ti).
Toutefois, il est également possible de réaliser les électrodes 60 et 62 avec un film 66 qui est électriquement isolant.
Des exemples de telles réalisations sont maintenant décrits pour un film 66 réalisé en polyimide et plus précisément en kapton.
Selon un premier exemple, le film 66 est entouré par deux couches en matériau conducteur, par exemple du cuivre.
Cela signifie que le film 66 est entouré de manière générale par deux empilements de couches 70 déposés de part et d'autre du film 66 et qui sont réalisés en matériaux électriquement conducteurs.
Dans cet exemple, les couches de cuivre présentent une même épaisseur comprise entre 5 pm et 35 pm, en particulier ici 18 pm pour une épaisseur du film 66 de 25 pm.
En outre, les piliers 64 sont réalisés de manière similaire une couche en kapton entourée par deux couches électriquement conductrices, par exemple en cuivre.
Pour de tels piliers 64, les couches de cuivre présentent une même épaisseur de 5 pm pour une épaisseur de la couche en kapton de 12,5 pm.
En variante, chaque pilier 64 est réalisé en kapton (pas de présence de couches de cuivre).
Dans un tel cas, chaque pilier 64 présente une épaisseur comprise entre 1 pm et 25 pm.
Ainsi, il est possible d’envisager des électrodes 60 et 62 plus éloignées, notamment séparées par une distance comprise entre 10 pm et 25 pm, de préférence entre 10 pm et 20 pm.
Ainsi, dans chacun des modes de réalisation, les électrodes 60 et 62 sont séparées par une distance comprise entre 1 pm et 25 pm. Selon un deuxième exemple, chaque électrode 60 et 62 est un empilement 70 de couches superposées sur un film 66 isolant réalisant une fonction d’isolement électrique.
Dans ce cas, le film 66 présente une épaisseur comprise entre 10 pm et 100 pm, en particulier 25 pm. Dans chacun des cas, l’utilisation d’un film 66 en polyimide permet de réaliser chaque électrode 60 et 62 de manière plus aisée, notamment sans utilisation d’un dépôt plasma.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Capteur de mesure (52) d’un flux de rayonnement généré par un accélérateur de particules (24), le capteur de mesure (52) comportant deux électrodes (60, 62) délimitant un volume de mesure, les électrodes (60, 62) étant séparées par une distance comprise entre 1 micromètre et 25 micromètres, les électrodes (60, 62) étant reliées par au moins un pilier (64) comportant au moins une partie en matériau isolant.
2. Capteur de mesure selon la revendication 1 , dans lequel les électrodes (60, 62) présentent une épaisseur comprise entre 5 micromètres et 500 micromètres, de préférence entre 10 micromètres et 100 micromètres.
3. Capteur de mesure selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le capteur de mesure (52) présente une atténuation d’un flux incident inférieure ou égale à 1 %, de préférence inférieure ou égale à 0,5%.
4. Capteur de mesure selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les électrodes (60, 62) sont séparées par une distance comprise entre 1 micromètre et 10 micromètres.
5. Capteur de mesure selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les électrodes (60, 62) sont reliées par un ensemble de piliers (64), chaque pilier (64) comportant au moins une partie en matériau isolant.
6. Capteur de mesure selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel chaque pilier (64) est réalisé par une alternance de premières couches (80) et de deuxièmes couches (82), la première couche (80) étant réalisée en un matériau électriquement conducteur, notamment du Ti, et la deuxième couche (82) étant réalisée en un matériau isolant, notamment de l’ALOs.
7. Capteur de mesure selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel chaque électrode (60, 62) comporte un empilement (70) de couches superposées sur un film métallique (66), l’empilement (70) de couches réalisant une fonction d’isolement électrique.
8. Capteur de mesure selon la revendication 7, dans lequel l’empilement (70) de couches superposées comporte une alternance d’au moins une paire de couche électriquement isolante (72, 76) et de couche électriquement conductrice (74, 78).
9. Capteur de mesure selon la revendication 7 ou 8, dans lequel au moins une couche électriquement conductrice (74, 78), notamment la couche électriquement conductrice (78) la plus proche de l’autre électrode (60, 62), est réalisée en titane.
10. Capteur de mesure selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel chaque électrode (60, 62) comporte au moins une couche conductrice sur chaque face d’un film (66), le film (66) réalisant une fonction d’isolement électrique.
11. Capteur de mesure selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le film (66) est réalisé en polyimide.
12. Détecteur de mesure d’un flux de rayonnement issu d’un accélérateur de particules comportant un capteur de mesure (52) selon l’une quelconque des revendications 1 à 11 et un circuit électronique (53) d’acquisition du signal mesuré par le capteur de mesure (52).
13. Système de mesure (50) comportant un capteur de mesure (52) selon l’une quelconque des revendications 1 à 11 ou un détecteur de mesure (46) selon la revendication 12 et éventuellement un capteur de mesure (56) de la puissance moyenne du faisceau de rayonnement.
14. Tête de traitement (26) d’un accélérateur de particules (24) comportant un système de mesure (50) selon la revendication 13.
15. Installation, notamment installation de radiothérapie (10) ou accélérateur de particules (24), comprenant la tête de traitement (26) selon la revendication 14.
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