Les accélérateurs à champ fixe et gradient alterné FFAG et leur application médicale en protonthérapie

Fixed Field Alternating Gradient (FFAG)accelerators and their medical application in proton therapy

• Auteur / Autrice : Joris Fourrier
• Direction : François Méot, Jacques Balosso
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Radiothérapie

Accélérateurs de particules

Protonthérapie

Résumé

La radiothérapie utilise des faisceaux de particules dans le but d'irradier et d'éliminer les tumeurs cancéreuses tout en épargnant au maximum les tissus sains. La perte d'énergie en forme de pic de Bragg des protons dans la matière permet une amélioration balistique du dépôt de la dose par rapport aux rayons X. Le volume irradié peut ainsi être précisément ajusté au volume tumoral. Cette thèse, dans le cadre du projet RACCAM, vise à étudier et à mettre au point le design d'une installation de protonthérapie basée sur un accélérateur de particules à champ fixe et à gradient alterné FFAG dans le but de construire un aimant FFAG à secteur spiral pour validation. Nous présentons tout d'abord la protonthérapie pour définir un cahier des charges médicales définissant les critères techniques d'une installation de protonthérapie. Puis nous introduisons les accélérateurs FFAG par une présentation des projets passés et en cours dans le monde avant de développer la théorie de la dynamique faisceau dans le cas de l'optique à focalisation invariante. Nous décrivons ensuite les outils de modélisation et simulation mis au point pour étudier cette dynamique faisceau dans une optique FFAG à focalisation invariante et à secteur spiral. Nous expliquons par la suite la recherche des paramètres de l'optique ayant abouti à la construction d'un aimant prototype. Enfin, nous décrivons l'installation de protonthérapie du projet RACCAM depuis le cyclotron injecteur jusqu'au système d'extraction.

Radiotherapy uses particle beams to irradiate and kill cancer tumors while sparing healthy tissues. Bragg peak shape of the proton energy loss in matter allows a ballistic improvement of the dose deposition compared with X rays. Thus, the irradiated volume can be precisely adjusted to the tumour. This thesis, in the frame of the RACCAM project, aims to the study and the design of a proton therapy installation based on a fixed field alternating gradient (FFAG) accelerator in order to build a spiral sector FFAG magnet for validation. First, we present proton therapy to define medical specifications leading to the technical specifications of a proton therapy installation. Secondly, we introduce FFAG accelerators through their past and on-going projects which are on their way around the world before developing the beam dynamic theories in the case of invariant focusing optics (scaling FFAG). We describe modelling and simulation tools developed to study the dynamics in a spiral scaling FFAG accelerator. Then we explain the spiral optic parameter search which has leaded to the construction of a magnet prototype. Finally, we describe the RACCAM project proton therapy installation starting from the injector cyclotron and ending with the extraction system.