Diapositive 1

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Accélérateurs applications et nouvelles
techniques
Projets d'accélérateurs liés aux ? Sources de
rayonnement synchrotron ? Nouvelles techniques
d'accélération ? Applications médicales
Remerciements M. Jablonka Sources
rayonnement synchrotron M.E. Couprie, D.
Garzella Nouvelles techniques d'accélération B.
Cros, J.R. Marquès, H. Videau Applications aux
machines médicales M. Bajard, J.M. De Conto,
J.M. Lagniel, F. Méot
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Accélérateurs applications aux sources de
rayonnement synchrotron
? 50 sources de lumière dans le monde dont ? 20
de 3e génération basées sur des anneaux de
stockage 8 en construction (SOLEIL, DIAMOND, ...)
plusieurs en projet dans le même temps se
développent les sources de 4e génération Objectif
satisfaire des nouvelles demandes des
utilisateurs ? Brillances plus élevées ?
Cohérence longitudinale et transverse ?
Impulsions ultra-brèves (? 100 fs) ? Régime
quasi-continu ? Longueurs d'ondes très courtes
(VUV, X) basées sur des accélérateurs linéaires
et sur des avancées technologiques résultant de
plus de 20 ans de RD ? Cavités
accélératrices supraconductrices ?
Photo-injecteurs, compensation d'émittance ?
Compresseurs de paquets ? Récupération
d'énergie (ERL) ? Onduleurs haute performance
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Accélérateurs applications aux sources de
rayonnement synchrotron
Configurations des Lasers à Electrons Libres (LEL)
"SASE" (Self Amplified Spontaneous Emission)
modulator
radiator
disp
LEL oscillateur
"HGHG" (High Gain Harmonic Generation)

• faisceaux e- faibles émittance (1 p mm.mrad) et
  dispersion en énergie
• des onduleurs très longs (100 m pour ? 1 Å)

exigent

• longueurs d'ondes très courtes (pas de miroirs)
• avec linac 10-20 GeV l lt 1 nm jusqu'à 0,1 nm
• impulsions très brèves (compression de paquets)

permettent
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Accélérateurs applications aux sources de
rayonnement synchrotron
Les sources de 4e génération en service et en
projet
Projet Labo Pays Type Mode LEL E GeV l nm Situation
TTF II DESY D SC SASE 1 6 En construction
X FEL DESY D SC SASE 25 0.1 APD, 60 financé
BESSY FEL BESSY D SC SASE 2.25 1.2 APD
SPARC-X Frascati I RT SASE 2.5 1.5 APS Prototype financé
FERMI ELETTRA I RT HGHG 3 1.2 APS
4GLS Daresbury GB SC HGHG 0.6 10 APS Prototype financé
ARC-EN-CIEL France F SC HGHG 0.7 0.8 APS
LCLS SLAC USA RT SASE 14 0.15 APD, financé
CHESS Cornell USA SC SASE 5 100 APS APD prototype
IRFEL JLAB USA SC Osc/ERL 0.2 10 En opération
LUX Berkeley USA SC HGHG 2.5 1.2 APD
MIT Bates USA SC HGHG 4 0.3 APS
SCSS KEK J RT SASE 1 3.6 En construction
JAERI FEL Tokai J SC Osc/ERL 0.017 5 Fonctionne
KAERI Corée K SC Osc/ERL 0.04 10 En construction
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Accélérateurs applications aux sources de
rayonnement synchrotron
106 by FEL gain
103 by e- quality long undulators
Sept . 2001
Sept . 2000
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Accélérateurs applications aux sources de
rayonnement synchrotron
Qualités de faisceau primordiales ex. Effet de
l'émittance sur la Saturation dans LCLS
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Accélérateurs applications aux sources de
rayonnement synchrotron
Source de bonne émittance Accélération rapide
pour éviter la dilution de charge d'espace
Ipk ? 50-100 A Q ? 1 nC eN ? 2 mm

• Ex. TTF2
• Photo cathode CsTe
• Coupleur HF coaxial
• Gradient cathode 40 MV/m
• Dissipation maximum 27 kW
• Emittance _at_1 nC lt 2 p mm.mrad

RD sur le laser pour reproductibilitéamélioratio
ns ? gradient ? 60 MV/m ? pulse laser
rectangulaire
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Accélérateurs applications aux sources de
rayonnement synchrotron
Rayonnement Synchrotron Cohérent (CSR)
Schémas de compensation
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Accélérateurs applications aux sources de
rayonnement synchrotron
Résultats Saturation SASE
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Accélérateurs applications aux sources de
rayonnement synchrotron
harmonic 3
BNL/DUV-FEL Expérience HGHG
HGHG
0.23 nm FWHM
SASE x105
Comparaison spectres de HGHG et SASE (non saturé)
à 266 nm avec mêmes conditions de faisceau e-
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Accélérateurs applications aux sources de
rayonnement synchrotron
LCLS X-FEL basé sur 1 km du linac SLAC existant
1.5-15 Å
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Accélérateurs applications aux sources de
rayonnement synchrotron
TTF2 Tesla Test Facility (DESY)
Linac de 1 GeV, supraconducteur, pulsé

• 1993 CDR TTF1, développement de la technologie
  "TESLA"
• 2000 faisceau 240 MeV, SASE à 120-80 nm,
  saturation
• 2004 commissioning de TTF2 en cours, avec 5
  cryomodules
• 2005 820 MeV, SASE 10 nm, premières
  expériences "utilisateur"

820 MeV
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Accélérateurs applications aux sources de
rayonnement synchrotron
TESLA X-FEL (DESY)

• Linac 1.6 km, 20 GeV, 23 MV/m
• 936 cavités supraconductrices, en 78 modules de
  12 cavités
• Technologie TESLA (choisie en Août 2004 par ITRP
  pour le futur ILC)
• l 0,1 - 10 nm (1er harmonique 0.05 nm)

• Coût ? 700 M
• 60 financé par Allemagne (Etat Région)
• Le reste à trouver avec partenaires européens

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

• LEL oscillateur (120-10 nm), SASE (200-7 nm),
  HGHG (100-0,8 nm)
• Seeding avec harmoniques générés dans les gaz
• Boucles optionnelles pour récupération d'énergie
  (ERL)
• Autres utilisations Accélération plasma,
  diffusion Thomson

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Accélérateurs applications aux sources de
rayonnement synchrotron
Le projet ARC-EN-CIEL Brillance crête ?
ARC-EN-CIEL PHASE I
permet de tester la génération dharmoniques dans
lUV lointain avec la possibilité de
synchronisation avec des lasers conventionnels
Laser
Demande de financement SESAME en 2005 ?
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Accélérateurs applications aux sources de
rayonnement synchrotron
Conclusions

• Encore beaucoup de RD nécessaire
• Contrat européen (Design Study) EUROFEL accepté
  ? classé No 1 9 M sur 3 ans 16 participants
  de 5 pays différents (G, UK, I, S, F)

• 6 Activités
• Photo-canons et injecteurs (leader INFN, Rome)
• Dynamique de faisceau (leader CCLRC-Daresbury)
• Synchronisation (leader ELETTRA, Trieste)
• Seeding et génération dharmoniques (Leader
  Max-Lab, Lund)
• Linacs supraconducteurs CW et quasi-CW (Leader
  BESSY, Berlin)
• Transfert de technologie des cryomodules (Leader
  DESY, Hambourg)

• Retard français dans le développement sources
  4ème génération
• Plusieurs labos CEA et IN2P3 engagés dans
  EUROFEL
• Projet ARC-EN-CIEL soutenu par les
  utilisateurs mais pas d'équipe "accélérateur"
  demande de financement "SESAME" en 2005 pour
  Phase I ?
• Projet X-FEL extrapolation (100 nm ? 0,1 nm)
  assurée ?
• un projet européen unique ou plusieurs projets
  nationaux ?

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Accélérateurs nouvelles techniques
d'accélération

• Limitation des accélérateurs actuels
• Plot de Livingston effet de saturation
• limitation pratique coût par GeV !!!
• ? machines circulaires B 10 Tesla Rayonnement
  synchrotron (e-)
• ? machines linéaires (technologie RF) E 100
  MV/m ( 50 MV/m pour SC)
• ? Besoin de nouveaux concepts
• technologie qui semble la plus prometteuseaccélér
  ation basée sur les PLASMAS
• Gradients 100 MV/m ? 150 GV/m accélérateurs
  ultra-compacts
• Etudes et expériences depuis 20 ansmais
  progrès décisifs ces dernières années
• avènement de lasers puissants, pulses
  ultra-courts, rendement ? 20 pompé par diodes

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Accélérateurs nouvelles techniques
d'accélération
Avantages d'une onde plasma Plasma milieu
ionisé ? supporte Champs Electriques Intenses
(démontré) Onde plasma Champ de charge
d'espace - oscille naturellement à ?p - peut être
longitudinal et se propager à v? c
'97 100 GV/m Laser 100 TW du LULI pulse laser
focalisé dans un jet de gaz 100 MeV sur 1 mm
'98 160 GV/m Rutherford Lab 100 MeV sur 0,6 mm
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Accélérateurs nouvelles techniques
d'accélération
Schémas d'excitation des Ondes Plasma
? Battement dondes avant utilisation lasers
puissants, ultra-courtsmodulation de l'enveloppe
du pulse laser? train de pulses résonants
courts ? Sillage laser Forces pondéromotrices
grad ? ? laser 200 fs pour ne1017 cm-3 ?
rendement laser ? Sillage plasma requiert
faisceau énergétique (SLAC) énergie fournie par
faisceau primaire ? Sillage laser
auto-modulé requiert laser puissant, pulses
longsNon linéaire (Instabilité Raman) Sillage
laser forcé compression pulse laser par
dispersion vitesse de groupe
wp Dw
lp c ?
lp c ?
lp lt c ?
20
Accélérateurs nouvelles techniques
d'accélération
Expérience au SLAC Sillage plasma par faisceau
d'e-
Amplitude ? Nb / sz2
queue
tête
Expérience E-162 paquet 2 ps ? ?? 279
MeV longueur plasma 1,4 m
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Accélérateurs nouvelles techniques
d'accélération
Présenté au Workshop Advanced Accelerator
Concept Workshop (Juin 2004)
Expérience E-164 paquet ltlt ps ? ?? 4 GeV sur
10 cm
schéma Afterburner pour ILC 4 GV/m 500 GeV /
faisceau ? 1 TeV sur 125 m paquets pilotes
paquets de production
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Accélérateurs nouvelles techniques
d'accélération
Résumé des résultats expérimentaux
Mécanisme Labos Gain Energie Champ Acc Longueur Acc
Battemt Ondes UCLA, LULI, Canada, ILE 1 à 30 MeV 1 GV/m 1 à 10 mm
Sillage Laser LULI 1.5 MeV 1 GV/m 2 mm
Sillage Plasma SLAC-UCLA-USC-Berkeley 250 4000 MeV 40 GV/m 10 cm
Sillage AM RAL, LULI, LOA 60 à 200 MeV 100 - 200 GV/m 1 mm
Conclusions ? Gradients accélérateurs élevés ?
Accord avec prédictions théoriques ? meilleurs
candidats excitation par sillage (laser ou
plasma) ? mais injecteurs actuels mal adaptés
acc. non optimale, large spectre Sillage AM e-
du plasma capturés ? Source e- relativiste
intense, ultra-brève lt ps Longueur d'interaction
limitée par diffraction faisceau laser ou
déphasage onde / e- ? techniques de guidage par
tube capillaire ou par canal de plasma (ex. jet
de gaz)
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Accélérateurs nouvelles techniques
d'accélération
Workpackage ANAD (Advanced and Novel Accelerator
Development)dans le réseau ELAN de CARE
(Coordinateur B. Cros) France (LPGP Orsay, LULI,
LOA, CPhT Palaiseau) 7 partenaires européens (UK,
Portugal, Pays-Bas, Allemagne) Objectifs coordonne
r au niveau Européen ? Choix technologiques
(injection, guidage) ? Résolution des pb de
synchro et de focalisation du faisceau
délectrons ? Echanges sur techniques de
manipulation et diagnostics de faisceaux e- ?
Elaborer des propositions de JRA ou de DS
(pas de possibilité de nouveau JRA associé à
CARE) Groupe de réflexion sur l'accélération
laser/plasma ? Laboratoires de Polytechnique
(LOA, LULI, LLR, CPhT) ? Laboratoires d'Orsay
(LPGP, LAL) ? Laboratoires du CEA (DAPNIA,
DAM/DPTA) Constat - Labos français pionniers -
fortes compétences existent (Orsay, Palaiseau,
Saclay) - installations existantes de pointe
(ex. LOA) Objectifs - faire le point sur état de
l'art en lasers et techniques d'accélération -
faire des propositions de projets
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Accélérateurs nouvelles techniques
d'accélération
La prochaine étape en France pourrait être
B. Cros
Construction d'une installation dédiée,
comprenant ? Laser 100 TW (10 J, 100 fs) 10 Hz ?
Injecteur délivrant paquets e- relativistes
ultra-courts E gt 10 MeV, ? lt 100 fs ?
photo-canon RF ou source laser-plasma ? Module
accélérateur Gain dénergie 1 GeV sur 10 cm
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Accélérateurs applications au médical
Faisceaux de hadrons permettent le traitement des
tumeurs inopérables ou résistantes aux moyens de
radiothérapie conventionnelle 3 centres
opérationnels en France Orléans (neutrons) Nice
(protons) Orsay (protons) Projets proposés ?
Rénovation du CPO (Centre de Protonthérapie
d'Orsay) ? projets basés sur irradiation avec
faisceaux de Carbone ETOILE (Lyon) et
ASCLEPIOS (Caen)
ex. Salle de traitement faisceau fixe (GSI)
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Motivations
Accélérateurs applications au médical
? Neutrons Particules à fort TEL (dE/dx)
forte ionisation le long de la trace ? forte
Efficacité Biologique Relative (EBR dose-X /
dose-hadron déposées pour un même effet
biologique) mais mauvaise balistique donc
mauvaise conformation 3-D ? Protons EBR 1
? limite de dose due à la toxicité Avantage
optimisation de la répartition de dose au sein
de la tumeur (pic de Bragg) faible
dispersion latérale ? Ions légers (He, Li, C,
...) combinent les deux avantages - EBR
3 pour les ions Carbone - précision
balistique pic de Bragg Profondeur dans
l'eau 2-27 cm E 80 - 400 MeV/u pour ions
C
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Accélérateurs applications au médical
Contrôle de l'irradiation encore plus poussé
par ? technique du "raster scanning" ? balayage
dynamique H V par contrôle actif énergie et
balistique ? Contrôle de dose en temps réel
(variation de vitesse de balayage)
? utilisation de gantry (bras rotatif
isocentrique) ? irradiation sur 360 précision
du point d'impact pre-étude GSI (HICAT) ? mais
masses importantes pour ions C (700 T)
(rigidité magnétique) aimants supra ?
? possibilité dosimétrie in situ (caméra TEP)
pour ions Carbone (émission de positons)
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Accélérateurs applications au médical
Irradiation par protons 20 centres
opérationnels plus de 35 000 patients
traités(la majorité dans les 10 dernières années)

• 2 centres en France
• Nice (cyclotron 65 MeV)
• CPO Orsay (synchrocyclotron 201 MeV) créé en
  1991, intégré à l'institut Curie depuis 1/01/04
• 3000 patients déjà traités - croissance de la
  demande clinique
• Rénovation ? capacité de 650 patients /an en
  2008
• nouvelle machine (gt 230 MeV) type cyclotron
  (classique ou supra) ou synchrotron
• bras isocentrique
• 4 salles de traitement avec distribution rapide
  du faisceau et possibilité balayage actif

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Accélérateurs applications au médical
nouvelle machine
CPO
bras isocentrique
machine actuelle
salle Y1
4e salleY3
Machine lignes 10.5 12.5 M
Bras isocentrique 10.0 M
Rénovation salle Y2 0.5 M
4e salle 2.5 M
Total 23.5 - 25.5 M
salle Y2
budget total 23.5 25.5 M maîtrise d'oeuvre
déléguée aux industriels avec contribution IN2P3
/ DAPNIA pour APS, APD et rédaction cahier des
charges, appels d'offres et suivi de réalisation
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Les ions Carbone
Accélérateurs applications au médical
période pionnière 75-93 (Berkeley) 1200
patients traités par faisceaux d'ions légers 1994
ouverture à Chiba (Japon) 1er centre dédié au
traitement des tumeurs par ions Carbone
(HIMAC) au sein du NIRS (National Institute of
Radiological Science) 2000 patients traités
depuis 10 ans 1997 GSI (Darmstadt) avec équipe
radiothérapie Heidelberg 200 patients
traités énergie utilisée 400 MeV/u (parcours
des ions de 30 cm dans l'eau) mise en oeuvre du
balayage dynamique (préféré à la diffusion
passive) Les projets "nouveau concept" spécs,
solutions tech. et budgets très similaires Hyogo
(HIBMC) Hyogo Ion Beam Medical Center mise en
opération p (2003), C (2004) Heidelberg (HICAT)
Heavy Ion Cancer Therapy facility en
construction responsable accélérateur GSI qui
s'appuie sur SIEMENS Pavie (CNAO) Centro
Nazionale Adroterapia Oncologica en
construction synchrotron étudié au CERN (96-2000)
PIMMS (Protons Ions Medical Machine Study)
autres projets Med-Austron (Autriche) Karolinska
(Suède)
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Les projets en France
Accélérateurs applications au médical

• ETOILE
• Université de Lyon I
• APS (convention tripartite UCBL/DSM/IN2P3)
• ? Rapport déc. 2001
• Site de référence Hôpital du Vinatier
• s'appuie sur la proximité de
• hôpitaux neurologique et cardiologiquefutur
  hôpital Mère-Enfants
• Centre régional de lutte contre le cancer Léon
  Bérardhôpital E. Herriot
• pôle d'imagerie médicaleet Centre TEP (CERMEP)

Hôpital de la Croix-Rousse
Hôpitaux Neuro. Cardio Futur Hôpital
Mère-Enfant CERMEP
Centre L. Bérard Hôpital E. Herriot
Hôpital département du Vinatier
BRON
Futur Hôpital privé J.Mermoz
ETOILE
Hôpitaux Lyon-Sud
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Accélérateurs applications au médical

• ASCLEPIOS
• s'appuie sur la proximité des
• campus Jules Horowitz GANIL - production de
  faisceaux d'ions énergétiques)CIRIL (Centre
  Interdisciplinaire de Recherche Ions et
  Lasers)CYCERON (Centre d'imagerie cérébrale et
  de recherches en neurosciences) - plate-forme
  d'imagerie in vivo)
• campus médical CHU, CLCC (Centre de Lutte
  Contre le Cancer) François Baclesse
• campus Côte de Nacre laboratoires de
  l'Université et de l'ENSICAEN - compétence en
  dosimétrie et imagerie
• propose la réalisation d'un APD
• maître d'ouvrage structure
• médicale regroupant CHU-CLCC
• maîtrise d'œuvre GANIL

campus Côte de Nacre
campus Jules Horowitz
campus médical
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Accélérateurs applications au médical
Spécifications principales ETOILE
ASCLEPIOS Projectiles des protons aux ions
carbone (p, He, C, O) Profondeur pénétration
2 à 27 cm dans l'eau 85 - 400 MeV / u
12C 50 - 200 MeV proton Méthode
d'irradiation Raster scanning ( 20 x 20 cm2 )
possibilité d'un système passif Dose max. à la
tumeur 2 Gy/mn dans 1 litre 4 x 108 C6 /
déversement 1 x 1010 p / déversement Disponib
ilité annuelle gt 97 Nombre de patients traités
1000 / an (objectif) Qualité Fiabilité
prioritaire Salles de traitement 3 salles _at_
15 sessions/patient 1 salle études
radiobioliques tests Diagnostics IRM, TEP,
scanner X
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Accélérateurs applications au médical
Choix des options techniques accélérateur
lignes faisceau de conception classiquedesign
basé sur projets européens (HICAT,
CNAO) Accélérateur Synchrotron bien adapté
de type PIMMS (CNAO) 400 MeV/u, B?6.35 T.m,
souplesse en énergie, cycle flexible Lignes de
distribution Structure "arrête de
poisson" Sources ECR commercialisées de type
ECRIS Injecteur GSI-Francfort (HICAT, CNAO)
SuperNanogan intensité requise 125 ?A en C
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Accélérateurs applications au médical
ETOILE scénario salle avec gantry
Arrêt faisceau
Extraction résonante avec septum
Salles de test radiobilogie
Injection multi-tours 7 MeV/u
Synchrotron "PIMMS"
Salles de traitement faisceau fixe H
RFQ Linac
Salles de traitement avec gantry
Sources ions ECR
Cycle machine ? déclenchement déversement par
signal pour tumeurs mobiles
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Accélérateurs applications au médical
Conclusions ? Collaborations étroites avec autres
centres de hadronthérapie ? Pas de RD
spécifique, développement bras isocentrique
(gantry) ? Coût construction 100 M HT ? Durée
réalisation 5 ans avec 180 - 200 h.ans APD
(inclus ou 2 ans) ? Coût / traitement 15 k
pour 1000 patients /an ? DSM / IN2P3 rôle
d'experts et de conseils ? ASCLEPIOS APD de 2
ans (approuvé par la Région) en parallèle,
études médicales ? ETOILE scénario privilégié
réalisation industrielle (MOA déléguée) MOA ? 6
personnes (s'appuie sur experts DSM - IN2P3) ?
rédaction specs, appels d'offres,
suivi remarque scénario "classique" également
étudié dossier envoyé aux ministères (Recherche
Santé)