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Synchrotron Fabry-Perot : vers une nouvelle source compacte
de rayons X pourla médecine et la recherche
Ph. Balcou
Début de l’histoire des rayons X : 1895Début de l’histoire des rayons X : 1895
Découverte fortuite par Wilhelm Roentgen d’un type inconnu (X) de rayonnements :
Dispositif : tube à décharge Pour les « rayons de cathode »
Applications médicales immédiates :
Panorama non-exhaustifPanorama non-exhaustif des sources X actuelles : des sources X actuelles :
• Tubes X, anodes tournantes…
Outil dominant dans l’industrie et la médecine, techno très mature, flux important mais saturé
• Synchrotrons
Outil dominant en recherche, grandes installations (G€)
• Sources Plasmas/Laser
Voir topo Fabien – pas de prétention au haut flux
• Autres sources Plasmas (ECR)• Sources par diffusion Compton inverse (Thomson)
Diffusion Thomson (Compton Inverse)Diffusion Thomson (Compton Inverse)
Photo- injector LINACelectrons
photons
Thomson X-ray generator
X-rays
Laser
Photo- injector LINACelectrons
photons
Thomson X-ray generator
X-rays
Laser
En pratique :
Inconvénients de la diffusion Thomson X :Inconvénients de la diffusion Thomson X :
1- La faible section efficace Thom
2- La corrélation énergie / angle
Avantages de la diffusion Thomson X :Avantages de la diffusion Thomson X :
1- Relativement simple d’atteindre les énergies des seuils K de I, Gd, Pt … ou +
2- Se prête bien aux simulations numériques
3- Bénéficie du bond en avant des technologies laser
4- Multiples possibilités de variantes technologiques
5- Interaction « propre »Interaction « propre »
Liste de projets de sources X ThomsonListe de projets de sources X Thomson
de D.E. Moncton, MIT
Familles de sources Thomson XFamilles de sources Thomson X
• LINAC chaud + laser intense (type Eclipse+)
Courtesy FE CarrollVanderbilt Univ.
MXISystems
Familles de sources Thomson XFamilles de sources Thomson X
• LINAC supraconducteur (ou ERL) + laser intense haute cadence( type projet SOLSTICE)
• Machines à recirculation
1- Recyclage des électrons dans un anneau de stockage
2- et des photons dans un résonateur Fabry-Perot de haute finesse
Familles de sources Thomson XFamilles de sources Thomson X
Idée récurrente : Mourou, Ting, Sprangle, Esarey : 1992, RochesterRon Ruth, Zhang, R. Loewen, 1998, Stanford
Collisions à haute cadence entre électrons et photons Flux X moyen potentiellement très important!! « Synchrotron à onduleur Fabry-Perot »
Seulement 2 proto « anneau + FP » en Seulement 2 proto « anneau + FP » en cours de montage :cours de montage :
Lyncean Technologies, Stanford
Kharkov (Ukraine) et Lyncean Tech. (SLAC), USAKharkov (Ukraine) et Lyncean Tech. (SLAC), USA
Association de plusieurs technologies :Association de plusieurs technologies :
• Fabry-Perot impulsionnels de très haute finesse (1 à 15 ps, F ~ 10000)
• Oscillateur laser impulsionnel haute puissance stabilisé
• Anneau de stockage basse énergie
• Photo-injecteurs très basse émittance et haute cadence
Contraintes techniques additionnelles : synchronisation électrons laser; radio-protection…
Performances attendues : Performances attendues : Flux spectral ; brillance
Flux : jusqu’à 1012 photons / s dans 10% BW
Brillance :
La source FPS peut fournir une ligne de lumière avec des spécifs réellement proches
de celles d’un synchrotron moderne (élément de déviation)
ComparaisonAimant ESRF
Autres avantages anticipés :Autres avantages anticipés :• Coût probable ~ 3 à 5 M€• Encombrement réduit (entre 50 et 100 m2)
installation possible en milieu médical, académique ou industriel (Ex : Le Louvre!)
• Possibilité d’atteindre des rayons X très durs (>> MeV)
• Zone émissive réduite possibilité d’imagerie « de contraste de phase »
Rupture technologique majeure Rupture technologique majeure par rapport au tandem par rapport au tandem
« tubes X / Synchrotron »« tubes X / Synchrotron »
Variantes possibles : anneau ERL, …
Quelques applications médicales espérées :Quelques applications médicales espérées :
Imagerie :Imagerie :- Imagerie à « contraste de phase »- Imagerie différentielle- Tomographie assistée par imagerie différentielle- Angiographie
Thérapie :Thérapie :- thérapie par activation photonique- thérapie par micro-faisceaux
Imagerie à “contraste de phase”
Courtesy G. Margaritondo
incohérentOmbre lisse basse résolution
cohérent
Spatialement
Franges de diffraction de FresnelRésolution apparente élevée
Phase spatiale aléatoireImage d’absorption pure
Image de « Phase »
Imagerie différentielle KImagerie différentielle K
• Introduction d’un agent de contraste de Z élevé : I, Gd, Pt, Xe… Flanc K de l’Iode
à 33.2 keV
Courtesy F. Carroll, MXIsystems
• Différence d’images prises à h= K + et h=K -
John Lewin, M.D.- University of Colorado Health Sciences Center:
Haute Energie - Basse Energie = Image de l’iode
Angiographie : investigation dynamique de la perfusion sanguine d’un cerveau de rat
tissue cerebral sain tumeur avancée à droite
Thérapie par activation photonique Thérapie par activation photonique
• Excitation sélective en présence d’un sensibilisateur de Z élevé
Probabilité élevée de rupture double-brin
Pourquoi des X monochromatiques en Pourquoi des X monochromatiques en radiothérapie?radiothérapie?
• Sensibilisateur Augmentation du dépôt de dose dans la tumeur, à irradiation donnée des tissus sains
• Pas de durcissement du faisceau X dose plus homogène
• Faisceau très collimaté délimitations franches des zones traitées
Mais : la chaîne d’évènements physiques/ chimiques/biologiques/médicauxreste extrêmement complexe et non maitrisée (N. Foray, ESRF/INSERM)
Besoins techniques :Besoins techniques :
• Flux : réaliste, même pour la thérapie • Energie de photon : 50 – 80 keV possibles• Divergence : souvent insuffisante• Monochromaticité : réglable• Compacité : adéquate• Radioprotection : difficile en France!• Couplage à l’ IMRT : difficile• Coût : reste cher pour des hopitaux français
Quelques applications industrielles :Quelques applications industrielles :
• Diffraction de protéines• Contrôle non destructif• Radiographie de métaux lourds
Quelques applications scientifiques :Quelques applications scientifiques :
• Usine à production de positrons polarisés• Usine à photoactivation, spectroscopie nucléaire…• SAXS
Conclusions :Conclusions :
• Rupture technologique, par le couplage entre techniques laser et accélérateurs compacts
• Source de rayons X équivalente à un aimant de déviation sur synchrotron (surtout pour h élevé)• Cible principale = applications médicales; de nombreuses autres applications scientifiques ou
industrielles sont probables• Espoir de construction d’un prototype en France• Etudes préalables en cours au LAL et au CELIA
Remerciements :Remerciements :
• CELIA : M-C Nadeau, S. Montant, S. Petit• LAL : F. Zomer, A. Variola, R. Roux, G.
Wormser…• LOA : N. Artemiev, A. Antonetti• Thales : S. Muller, JP Brasile…• ESRF-INSERM : H. Elleaume, J. Balosso, N.
Foray…• IGR : J. Bourhis, A. Bridier, …• Vanderbilt : F. Carroll