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Radiothérapie
Les acclrateurs de particules


Vous tes certainement nombreux possder un acclrateur de particules, mais en connaissez-vous le principe de fonctionnement ?

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(1)
Acclrateur Siemens Oncor


1) Description gnrale :

Cette machine dont le but est le traitement des tumeurs par bombardement de photons ou dlectrons acclrs se dcompose en plusieurs parties :

1. La structure ou bti
2. Le bras pouvant effectuer une rotation de 360
3. Un collimateur constitu de machoires ou de fines lames
4. Un imageur portal (en option) permettant de faire des clichs radio
5. La table de traitement

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(2)
Acclrateur Siemens Primus et table Siemens ZXT


Ce dispositif mdical cre en sortie un rayonnement photons et lectrons sous diffrentes nergies.

2) Description technique :

Plusieurs tapes sont ncessaires lacclration dun faisceau nergtique.


Linjection.

Le chauffage dune plaque, appele cathode, grce un filament, dans une cavit bien tudie, sous vide va permettre dexpulser des lectrons.

Cest un principe bien connu de nos pres qui tudiaient llectronique tube plutt que le transistor. Il suffit dinclure une grille de focalisation, une de contrle et terminer par une anode, et voil votre canon lectrons cr.

Au fait, joubliais, il faut le polariser correctement.

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Lanode est relie au ple positif de la haute-tension, la cathode au ngatif, lorsquune impulsion positive sera applique la grille de commande, la barrire constitue par celle-ci souvrira et laissera passer le flux dlectrons.

Nous avons maintenant notre triode, cratrice dlectrons.



Comment acclrer le flux lectronique ?

Lacclration des lectrons.

Le flux dlectrons sortant du canon, va rentrer dans une section cylindrique en cuivre forme de cavits, se terminant par une partie torique appele dviation qui aura pour but de slectionner lnergie souhaite.

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Une cavit de section


Cette section acclratrice pourra atteindre un peu plus dun mtre pour une nergie X 25 MeV.

Pour acclrer les particules, une onde radiofrquence UHF haute puissance est ncessaire et doit tre injecte dans la section.

La puissance UHF mise en jeu est impressionnante puisque nous parlons de quelques mga watts. Je vous rassure tout de suite ce phnomne ncessitant une grande consommation dnergie lectrique, ne sera effective que durant quelques micro-secondes, il sagit dun fonctionnement en rgime puls.



Cette puissance HF, comment est-elle cre ?

Deux types dacclrateurs sont sur le march. On parle souvent de machine magntron ou klystron.



Le magntron est un tube lectronique sous vide qui va permettre de crer et damplifier (2MW environ) une onde sinusodale : cest un oscillateur, amplificateur. Il a juste besoin dune tension importante, fournie par un modulateur, pour fonctionner.


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Le klystron, lui, est bien plus puissant que le magntron (7.5MW) mais ncessite un apport dUHF, un metteur pilote de faible puissance (100W) sera ncessaire pour lexciter correctement.

Ce tube est donc un amplificateur.


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Le klystron ou le magntron sera donc aliment par une source de haute-tension pulse, gnre par le modulateur.


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Le modulateur :

Son rle, comme nous lavons vu plus haut, sera dalimenter le klystron ou le magntron en trs haute tension durant quelques micro-secondes toutes les 5 6 milli-secondes.

Celui-ci fonctionne suivant le principe dune charge et dcharge dun ensemble de capacit et de self appel rseau PFN.


Voici le schma de principe simplifi dun modulateur:


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Lalimentation haute tension va fournir 20KV environ en continu partir du secteur.

La ttrode est un tube vide, une fois polarise, celle-ci va se comporter comme un interrupteur command. Il aura pour but de charger le rseau PFN un instant t.

La charging choke est une self qui va emmagasiner une certaine nergie lorsquun courant la traversera.

Le rseau PFN constitu de condensateurs et de selfs va stocker lenergie.

Le thyratron est aussi un tube vide, joue aussi le rle dun interrupteur command mais plus rapide que la ttrode. Il sera utilis ici dans le but de dcharger le rseau PFN

Le modulateur ainsi cr va fonctionner comme un rservoir qui emmagasine lnergie, que lon vient ouvrir subitement. Une tension de 20KV lentre du transformateur haute tension sera ainsi gnre soit 130 160KV en sortie de celui-ci.

Nous obtenons donc le schma de principe suivant :


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(3)
Acclrateur Varian Clinac



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(4)
Acclrateur Elekta


La slection dnergie :

Le but est dobtenir un faisceau le plus homogne possible pour lnergie slectionne souhaite.

La dviation 270 va slectionner et filtrer lnergie grce un lectro-aimant dont les ples vont se situer de chaque ct de celle-ci. Lamprage circulant dans les bobines va fixer lnergie souhaite et focaliser le faisceau en sortie.

Le faisceau de sortie :

Le faisceau lectronique doit subir quelques transformations afin de rpondre aux exigences de traitement en radiothrapie.

Il doit tre symtrique et homogne.

On distingue les deux modes de fonctionnement :

1. Le mode photons :


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Une cible en tungstne est place sous le faisceau primaire, les lectrons la frappant vont crer un rayonnement photon.

Un cne galisateur va permettre de rendre le faisceau homogne.
Une chambre dionisation contrle le dbit, lhomognit et la symtrie du faisceau de sortie.


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2. Le mode lectrons :


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Dans le mode lectrons, il ny a plus de cible, le cne galisateur est remplac par des diffuseurs : ce sont en fait des lments constitus dune fine couche mtallique.

On obtient donc le schma suivant :


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Les machines modernes sont de plus en plus quipes de collimateurs multilames appels MLC (M.L.C. : multileaf collimator).


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(5)
Collimateur multilames Millenium Varian


Pour plus d'informations:

Le site de Jack sur la radiothrapie: http://radiotherapie.free.fr

Les liens des principaux constructeurs:

Siemens: http://www.medical.siemens.com
Varian: http://www.varian.com
Elekta: http://www.elekta.com

Bibliographie:

Livre technique sur les acclrateurs Mvatron (Siemens)
Livre technique sur l'acclrateur Clinac (Varian)

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