Le traitement du cancer au moyen d'accélérateurs a une longue histoire avec l'utilisation de linacs, de cyclotrons et, plus récemment, de synchrotrons. Le traitement peut se faire essentiellement de deux manières: par faisceau élargi ou balayage avec faisceau fin. Les hadrons sont particulièrement indiqués pour cette dernière méthode grâce à l'existence du pic de Bragg. La combinaison de petits faisceaux bien focalisées avec la pénétration contrôlable (pic de Bragg) et la haute efficacité biologique (ions légers) ouvre la possibilité de traiter les tumeurs les plus difficiles, radio-résistantes, de forme complexe et situées près d'organes délicats. Le synchrotron est le plus apte à accélérer des ions légers (carbone) avec variation d'énergie d'impulsion à impulsion. Le système de balayage du faisceau est contrôlé par une mesure en temps réel du flux de particules délivré au patient. C'est pourquoi le déversement doit être allongé par l'utilisation d'une éjection lente. La qualité du profil de dose dépend finalement de l’uniformité du déversement du faisceau. C'est le plus grand défi pour le synchrotron du fait de la sensibilité de l'éjection lente. Cette thèse étudie en détails l’éjection lente dans son aspect temporel aussi bien que transversal. Les conclusions de cette étude permettent de choisir, parmi les différentes possibilités, le type d’éjection lente qui procure le déversement le plus régulier. La répartition du faisceau dans l’espace de phase transversal est également importante pour le système de distribution de la dose et la planification du
- traitement. A partir de la connaissance détaillée des caractéristiques du faisceau extrait par
éjection lente, un nouveau regard sur la conception des lignes de transfert est proposé, qui permet de mieux résoudre les problèmes dus à l’asymétrie et à la distribution spéciale du faisceau dans l'espace de phase. Des exemples d'applications pratiques de ces idées théoriques sont présentés.
Detailed dynamics of slow extraction and its influence on transfer line design
The treatment of cancer with accelerator beams has a long history with linacs, cyclotrons and now synchrotrons being exploited for this purpose. Treatment techniques can be broadly divided into the use of spread-out beams and scanned ‘pencil’ beams. The Bragg-peak behaviour of charged hadrons makes them ideal candidates for the latter. The combination of precisely focused ‘pencil’ beams with controllable penetration (Bragg peak) and high, radio- biological efficiency (light ions) opens the way to treating the more awkward tumours that are radio-resistant, complex in shape and lodged against critical organs. To accelerate light ions (carbon) with pulse-to-pulse energy variation, a synchrotron is the natural choice. The beam scanning system is controlled via an on-line measurement of the particle flux entering the patient and, for this reason, the beam spill must be extended in time (seconds) by a slow- extraction scheme. The quality of the dose intensity profile ultimately depends on the uniformity of the beam spill. This is the greatest challenge for the synchrotron, since slow- extraction schemes are notoriously sensitive. In this thesis, the resonant slow extraction is studied in detail both in its temporal and transverse aspects. The results from this study indicate which extraction scheme, among the various possibilities, is to be preferred for an application requiring smooth spills. The extracted beam distribution in the transverse phase spaces is also of interest for the dose distribution system and for treatment planning. Armed with a detailed knowledge of the beam characteristics from the slow extraction a novel approach to transfer line design, that copes better with the asymmetry and special phase space distributions, is described and possible implementations of the theoretical ideas are given as examples. KEYWORDS : slow extraction, resonant extraction, hadrontherapy, synchrotron, transfer line Université Claude Bernard - Lyon 1, Institut de Physique Nucléaire