Acclrateurs FFAG et Applications Mdicales'

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• Préambule domaine de la thèse, contexte,
  objectifs.
• Introduction aux FFAG.
• 1) Historique.
• 2) Machines à électrons de MURA.
• 3) Machines du KEK.
• III. Projets où nous sommes impliqués.
• 1) Maquette en électron pour usine à neutrino.
• 2) Projet RACCAM.
• IV. Outils de travail.
• 1) Mathematica / BeamOptics.
• 2) Zgoubi.
• V. Conclusion et perspectives.
• 1) Travail effectué.
• 2) Travail dans les prochains mois.

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Préambule domaine de la thèse, contexte,
objectifs.
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• Thèse relevant du domaine de la physique et de la
  conception des accélérateur de particules de type
  synchrotrons à champ fixe (FFAG pour Fixed
  Field Alternating Gradient ) destinés à produire
  des faisceaux de hadrons (dizaine à centaine de
  MeV/nucléons).
• FFAG utilisent des aimants à champ fixe dans le
  temps, au contraire des synchrotrons classiques,
  machines pulsées (Etoile, LHC) dont le champ
  magnétique augmente en synchronisme avec
  laccélération.
• FFAG machines à cyclage rapide (gamme des kHz)
  comparés aux synchrotrons pulsés (50Hz max) et
  dacceptance géométrique et en énergie énorme,
  permettant dobtenir des faisceaux dintensité
  moyenne comparable aux cyclotrons.
• Qualité de manipulation des faisceaux apparentée
  aux synchrotrons focalisation forte, énergie
  variable, techniques et efficacité de la
  transmission et de lextraction.
• Concurrent des cyclotrons, Linac et synchrotron
  pulsé face aux besoins actuels en faisceau de
  protons dintensité élevée et dénergie variable
  (applications médicales).
• Simples de fabrication et demploi, compacts,
  performants, - chers que les synchrotrons
  conventionnels, avec performances de débit de
  dose en protons comparable aux cyclotrons.

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• Objectif
• Contribuer aux études doptique (définition de
  maille), de dynamique (accélération, étude et
  traversée des résonnances, effets des défauts).
• Pour aboutir à la définition des paramètres types
  (magnétiques, système accélérateur, systèmes
  correcteurs) dun accélérateur dans la technique
  FFAG.
• Définition dun cahier des charges médical
  approprié dans le domaine de lhadronthérapie,
  telles que forte intensité, cyclage rapide,
  variété de projectiles, techniques de contrôle du
  faisceau.

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• Planning
• Théorie des accélérateurs de particules théorie
  synchrotron, FFAG, outils informatiques (code
  matriciel, de tracé de trajectoire),projet de
  maquette en électron, hadronthérapie -gt juin
  2006
• Cahier des charges médical comparaison des ?
  méthodes FFAG en hadronthérapie, définition des
  paramètres dun FFAG pour hadronthérapie,
  approche médico-économique -gt décembre 2006.
• Etudes théoriques effets des défauts de champ et
  dalignement, des défauts multipolaires,
  excitation des résonances. Validation de la
  maille, des paramètres magnétiques, de la
  géométrie de la machine, stratégies de correction
  des défauts -gt fin 2007
• Projet accélérateur avancement dans un projet
  daccélérateur FFAG, que ce soit la maquette en
  électron ou un FFAG pour hadronthérapie. -gt fin
  de thèse
• Expérimentation séjour envisageable au Japon sur
  les machines de KEK ou de KURRI. -gt en cours de
  thèse

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Introduction.
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• 1) Historique.
• FFAG concept apparu dans les années 50.
• Créés pour appliquer les principes de
  focalisation forte et de stabilité synchrotron.
• Elaborer des machines à haute intensité.
• Caractéristiques
• Focalisation forte, Chromaticité zéro.
• Déplacement dorbites avec lénergie (comme un
  cyclotron).
• Fort courant moyen, Larges acceptances
  longitudinale et transverse.
• Seulement 6 FFAG construits
• 3 machines à électrons à MURA dans les années 50.
• 2 machines à protons par le KEK en 2000 et 2003.
• Installation ADS Réacteur, KURRI, Kyoto en 2003

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• 2) Machines à électrons de MURA (Midwestern
  Universities Research Association).
• a) Mark II FFAG à secteur radial.
• Champ magnétique
• r0 rayon de référence. B0 champ magnétique de
  référence. k index de champ. F(?) facteur de
  forme axial.
• Alternance de dipôles positifs et négatifs
  focalisation forte à gradient alterné.
• Champs inversés rapport de circonférence
  élevé.
• Modèle scaling basé sur la chromaticité zéro
• Trajectoires homothétiques par rapport au centre
  de la machine.
• Tunes tels quil ny ait pas de traversée de
  résonnances entières ou demi-entières.

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Aimant de Mark II.
Mark II FFAG à électron.
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Aimants à secteur radial et trajectoires de
particules.
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• 2) Machines à électrons de MURA (Midwestern
  Universities Research Association).
• b) Mark V FFAG à secteur spiral.
• Champ magnétique
• r0 rayon de référence. B0 champ magnétique de
  référence. k index de champ. F() facteur de
  forme axial.
• Idée réduire le rapport de circonférence,
  machine compacte.
• Champs magnétiques de même signe pas de
  courbures inversées.
• Focalisation horizontale assurée par le corps des
  aimants.
• Focalisation verticale diminuée
• Solution spiraler les pôles, utilisation du
  principe de focalisation de coin.

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Schéma daimant spiral.
Mark V FFAG à électron.
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Aimants à secteur spiral et trajectoires de
particules.
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• 3) Machines à protons du KEK (Japon).
• a) POP Proof of Principle.
• 1er FFAG à proton, mis en service en 2000.
• Basé sur un triplet DFD à secteur radial.
• Accélération de 50keV à 500keV.
• Construit pour valider les calculs dinjection,
  de stockage de faisceau, daccélération, de
  modélisation 3D des champs magnétiques avec les
  valeurs expérimentales.

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FFAG POP.
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• 3) Machines à protons du KEK (Japon).
• b) FFAG à proton 150MeV.
• 2 challenges technologiques
• Utilisation daimants yoke free afin de
  faciliter lextraction.
• Extraction du faisceau (non possible sur POP).
• Construit comme prototype dapplications pour la
  protonthérapie.
• Accélération de 12 à 150MeV.
• Rayon moyen dorbite de 4,47 à 5,20m.

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Schéma du FFAG Proton 150MeV
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Aimant Return Yoke Free
FFAG Proton 150 MeV
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Projets où nous sommes impliqués.
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• 1) Maquette en électron pour usine à neutrino.
• FFAG modèle daccélération préféré pour une
  usine à neutrino grâce au faible coût par rapport
  aux RLA (Recirculating Linear Accelerator), à
  laccélération rapide et aux grandes acceptances
  présumées.
• Nouveau type de FFAG éléments linéaires (aimants
  à fonctions combinées dip quad).
• Basés sur une dynamique théorique, non testée,
  qui est fortement dépendante de paramètres comme
  le temps, lénergie des particules.
• Un modèle de démonstration en électron est
  important pour étudier la physique de ces
  machines non-scaling à un coût raisonnable.
• Paramètres à étudier orbites fermées,
  accélération rapide de 10 à 20MeV, tunes et
  traversée de résonance, limites de stabilités
  horizontale et verticale.
• Projet dans un contexte international USA,
  Japon, Canada, Royaume-Uni, France.

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• 2) Projet RACCAM.
• Projet financé par lANR (Agence Nationale de la
  Recherche).
• Le but est de contribuer à la RD sur les FFAG et
  leurs applications médicales
• en poursuivant notre participation aux
  collaborations internationales en cours.
• en contribuant au projet de maquette en électron.
• en étudiant les applications des FFAG dans le
  domaine médical (radiothérapie pour le traîtement
  de cancers).
• applications en radiobiologie ???
• En matière dapplication médicale
• Une avancée technologique permettrait aux
  faisceaux de protons de dominer le secteur de la
  radiothérapie.
• Avantages envisagés accélérateurs compacts ?,
  performants ? (Intensité moyenne), - chers ?

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• 2) Projet RACCAM.
• Aspects médicaux.
• Protonthérapie exploite 2 propriétés
  dosimétriques
• faible dispersion latérale le long de la
  trajectoire du faisceau et faible pénombre
  distale.
• dépôt en énergie en pic de Bragg, profondeur
  contrôlable car liée à lénergie (proton 2 à
  27cm ?, 50 à 200MeV ?).
• La précision permet dadapter chaque faisceau au
  volume-cible et daugmenter les doses dans les
  tissus malades en épargnant les tissus sains.
• Protonthérapie avantageuse pour
• tumeur située près dorganes radiosensibles (nerf
  optique, moelle épinière)
• soins pédiatriques puisque la dose globale doit
  rester faible (risque de séquelles)

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• 2) Projet RACCAM.
• Questions envisagées dans le cadre du projet.
• Prototype de machine proton de quelques dizaines
  de MeV pour application en radiobiologie
• Énergie (petit animal) 50-70MeV ?
• Intensité moyenne, intensité dans le pulse,
  fréquence de cyclage ?
• Techniques FFAG
• FFAG non-linéaires focalisation invariante.
• FFAG non-linéaires à secteurs radial ou spiral.
• FFAG linéaires focalisation non-invariante (cf
  muons).
• Accélération rapide
• Méthodes ???

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Banc doptique du CPO.
Profondeur de pénétrations de différents types
de rayons.
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Outils de travail.
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• 1) Mathematica / BeamOptics.
• Code matriciel doptique permettant détudier les
  caractéristiques dune machine aux ordres 0 et 1
  et modélisation aux ordres supérieurs.
• Relativement simple dutilisation, basé sur le
  logiciel Mathematica.
• Nombreuses fonctions optiques prédéfinies
  section droite, dipôle, quadrupôle, fonction
  combinée.
• Facilité délaborer une machine complète à partir
  dune cellule simple.
• Possibilité de tracé de rayons.
• Tracé de fonctions de beta, démittance.
• Très bon outil de démarrage de projet choix de
  mailles, paramètres principaux
• Outil à développer pour loptique FFAG.

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Exemples de représentations de cellules
optiques et de tracé de fonctions Beta et
Dispersion.
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• 2) Zgoubi.
• Code de calcul de trajectoires de particules
  chargées dans des champs électriques et
  magnétiques.
• Permet létude de systèmes complexes comme des
  séquences de dipôles, quadrupôles ou multipôles,
  aimants FFAG et peut prendre en charge des
  structures périodiques.
• Particularités comparées aux autres codes
• Méthode dintégration numérique de léquation de
  Lorentz, basée sur les séries de Taylor
  optimisation du temps de calcul et de la
  précision.
• Tracking multi-tour dans les machines circulaires
  permettant de remonter aux paramètres de la
  machine.
• Calculs de dynamique utilisant des cartes de
  champs magnétiques.

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Machine linéaire à focalisation non-invariante.
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Maquette en électron.
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Modèle proton.
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Conclusion et perspectives.
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• 1) Travail effectué depuis Octobre 2005.
• Prise en main et manipulation de Zgoubi dans le
  cadre de la maquette en électron.
• Bibliographie sur les FFAG scalin, non-scaling, à
  secteurs radial et spiral, sur la dynamique
  longitudinale et transverse de faisceaux de
  particules.
• Prise en main de Mathematica / BeamOptics.
• Bibliographie sur loptique matricielle.
• Début de comparaison de BeamOptics avec dautres
  codes matriciels existant sur des exemples de
  mailles connues FODO, doublets, triplets
• Début de bibliographie sur la protonthérapie, les
  accélérateurs de protons à visée médicale.

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• 2) Travail dans les prochains mois.
• Séjour au Rutherford Appleton Laboratory (RAL),
  Angleterre
• Comparaisons des résultats du code Zgoubi avec le
  code matriciel SAD de Shinji Machida dans le
  cadre du projet de maquette en électron.
• Formation sur les techniques scaling à secteurs
  radial et surtout spiral auprès de Shinji
  géométrie, construction, forme du champ
  magnétique, edge focusing , implantation dune
  géométrie spirale dans Zgoubi ou BeamOptics.
• Retour à Grenoble ???
• Poursuite du travail sur les FFAG spiral.
• Approfondissement du travail sur BeamOptics dans
  le cadre de RACCAM choix de mailles
  envisageables, calculs au premier ordre.
• Bibliographie et étude sur lhadronthérapie
  doses, forme des faiseaux, collimateurs, énergies
  et intensités envisagées pour différents
  traîtements

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