En utilisant de l’hydrogène ou du carbone moléculaire, nous pouvons séparer le noyau cationique de son cortège d’électrons à l’aide d’une impulsion électrique et injecter ces ions dans l’accélérateur.
L’accélérateur de particules
Il utilise des champs électriques et/ou magnétiques pour amener des particules chargées électriquement à des vitesses élevées. Il communique donc de l'énergie aux particules.
L’étude de la matière nécessite de projeter sur une cible des particules d’énergie proportionnelle à la résolution spatiale que l’on souhaite obtenir afin d’obtenir de nouvelles sub particules. C'est l'énergie même du choc, portée par les deux particules incidentes, qui s’est brutalement matérialisée sous la forme de nouvelles particules, tout droit sorties du vide. Il est fondamental de comprendre ici que la matière (la masse) ne se conserve pas. Seule l'énergie globale reste invariante : celle des particules qui
entrent en collision est égale à la somme des énergies portées par toutes les particules qui surgissent du choc.
Jusqu’aux années cinquante, les seules particules incidentes possédant une énergie suffisante n’étaient autres que les rayons cosmiques. Bien que de survenue aléatoire et de spectre énergétique très large, ils permirent la découverte de multiples particules élémentaires qui enrichirent le modèle standard. (positron, muon, kaon, lambda, xi, sigma). Nous y reviendrons dans la prochaine partie. Une autre solution possible consiste essentiellement à accélérer les particules dans un tube à vide soumis à une très haute tension.
Figure 74 : Développement technologique des
L'énergie (E) d'une particule dans un champ électrique correspond au produit de sa charge (q) par la tension (U) du champ : E = q.U. Ainsi les accélérateurs manufacturés firent leur apparition. Les principaux ingrédients nécessaires pour accélérer les particules sont les champs électriques et magnétiques et un vide de bonne qualité ; les champs électriques et magnétiques sont utilisés pour accélérer et diriger les particules et le vide poussé permet que les particules accélérées ne soient pas ralenties suite à des collisions avec des particules présentes dans le tube cylindrique au sein duquel circule le faisceau.
D’après la figure 74, la classification des accélérateurs de particules peut suivre l'historique des technologies employées : par exemple, l'accélérateur électrostatique, les machines « tandem », les accélérateurs linéaires à hyperfréquences, les cyclotrons (dont le cyclotron isochrone et le bétatron), les synchrotrons (dont le synchrocyclotron, les synchrotrons à protons, à électrons), les anneaux de collision (anneaux électron-positron, anneaux de collision à protons).
Les accélérateurs peuvent être classés selon l'énergie : - basses énergies : de 10 à 100 MeV/n
- moyenne énergies : de 100 à 1 000 MeV/n
- hautes énergies : plus de 1 GeV/n et au-delà du TeV/n (1012 eV/n).
Ils sont utilisés à des énergies bien précises dans une multitude de domaines : exploration de la matière, production de radioisotopes pour l’imagerie, radiothérapie, gravure des circuits intégrés, stérilisation des aliments, spectrométrie de masse et datation en archéologie, cristallographie des protéines, des virus utilisant le rayonnement synchrotron...(126)
Tous les accélérateurs de particules sont constitués de plusieurs sous-ensembles successifs, remplissant diverses fonctions, de la source à la cible et dans un vide poussé :
- production et émission des particules chargées (par exemple grâce à une cathode) par ionisation
- injection dans le tube cylindrique vidé d'air où les particules seront accélérées.
- accélération proprement dite (éventuellement par plusieurs sections successives), utilisant des procédés techniques divers : champs électriques continus ou alternatifs à haute fréquence.
- guidage du faisceau à travers des systèmes analogues à des lentilles. Historiquement les accélérateurs linéaires sont les plus anciens ; ils sont
apparus dès 1931 avec l'accélérateur linéaire de Wideroë, repris par Sloan et Lawrence aux États-Unis. La trajectoire des particules est toujours rectiligne, mais le champ électrique est de haute fréquence. Les sources alternatives Haute Fréquence utilisées sont presque toujours des klystrons (tubes amplificateurs hyperfréquences)
Figure 75 : Accélérateur linéaire injecteur
dans le « kit » d’hadronthérapie de Siemens®
Les particules sont accélérées par impulsions successives convenablement synchronisées sans avoir à isoler des différences de potentiel équivalentes à l'énergie finale. Le faisceau en passant dans une suite de cavités où règne un champ électrique alternatif va pouvoir atteindre une énergie de quelques centaines de MeV les rendant utilisables en radiothérapie conventionnelle. Les accélérateurs linéaires ne permettaient pas, initialement, de produire des faisceaux d'aussi grande énergie que les accélérateurs circulaires. En revanche ils ont de nombreux avantages. En effet, la géométrie est « ouverte », c'est-à-dire que l'on peut envoyer ou extraire le faisceau facilement et un faisceau de flux élevé pourra être transporté avec les technologies actuelles. Ils sont souvent utilisés comme injecteurs de faisceaux dans les grandes structures (collisionneurs circulaires), et maintenant développés comme éléments de grands collisionneurs linéaires. Les accélérateurs linéaires supra conducteurs sont l’outil de physique nucléaire de demain permettant un rendement en intensité particulaire non atteint par les accélérateurs circulaires (mentionnons le projet SPIRAL2 sur le site du GANIL à Caen pour l’horizon 2012).
En « enroulant » la trajectoire, on obtient l'équivalent d'un accélérateur rectiligne ayant, non pas des kilomètres, mais des milliers de kilomètres de longueur. Parmi les « accélérateurs circulaires » on en distingue différents types.
le cyclotron
La source injecte les ions au centre de la machine. Il peut s’agir, par exemple, d’un plasma produit par un arc électrique dans une enceinte avec de l’hydrogène. Deux électrodes semi-circulaires, appelées Dees en raison de leur forme, sont excitées de façon alternative à haute fréquence avec une haute tension. Lorsqu'un ion se trouve entre les deux électrodes, le secteur de polarité négative exerce une force d’attraction, donc une accélération. Un circuit magnétique et un jeu de bobines sont utilisés pour créer un champ magnétique perpendiculaire à la trajectoire de la particule. Lorsque celle-ci rentre dans
la cavité à l’intérieur des électrodes, aucune force électrique ne lui sera appliquée. En revanche, le champ magnétique B exerce une action de déviation sur toute particule de charge q se déplaçant avec une vitesse v.
Le principe du fonctionnement du cyclotron est donc exprimé par une égalité entre la force centrifuge de la particule de masse m et l'action du champ magnétique dans un rayon r :
q.v.B= mv2/r
On constate que lorsque la charge, le champ magnétique et la masse sont constants, à une augmentation de la vitesse correspond une augmentation du rayon de la trajectoire, avec une vitesse angulaire w égale à :
Le champ électrique d'accélération entre les Dees suit donc cette fréquence constante pour qu'il soit en phase avec le passage des particules. Les ions continuent à gagner de l'énergie en se déplaçant vers l'extérieur jusqu'à ce qu'ils puissent être extraits. Les cyclotrons produisent ainsi un flux intense et continu d’ions monoénergétiques. Historiquement, le cyclotron a permis la découverte de plusieurs particules fondamentales et produit des radiotraceurs utiles en médecine nucléaire. Ils peut accélérer des particules chargées, des ions lourds mais pas les électrons. En France, le GANIL (Grand accélérateur national d’ions lourds) situé à Caen est constitué de deux cyclotrons isochrones.
Le synchrocyclotron
Lorsque les énergies communiquées sont telles que les effets relativistes provoquent un changement dans la masse des protons accélérés, la fréquence du champ électrique entre les Dees d'un cyclotron ne pourra plus être constante ; pour garantir la synchronisation avec le passage des particules, une modulation en fréquence sera nécessaire. C'est ce principe qui est exploité dans le synchrocyclotron. Cette variation en fréquence est obtenue par l'utilisation d'une capacité variable dans le circuit de haute fréquence, sous la forme d'un condensateur rotatif de grande complexité. L'inconvénient de ce type de synchronisation est que l'on produit des paquets d’ions donnant lieu à un faisceau pulsé au lieu d'un faisceau continu.
Le synchrotron
Au contraire, dans les synchrotrons (E. Mc Millan et V. Veksler), les ions sont accélérés à l’aide d’un champ magnétique et une tension dont la force et la fréquence d'oscillation sont respectivement en permanence modulés pour maintenir les ions dans une trajectoire circulaire fixe. Le rayon d’un cyclotron augmente avec l’énergie souhaitée, et en conséquence le poids et le coût du circuit magnétique et d’autres accessoires. Si l’on s’intéresse uniquement à la dernière trajectoire des particules, à rayon r constant, on peut augmenter la vitesse de la particule (et éventuellement prendre
aussi en considération le changement de masse) avec une variation du champ magnétique. Les ions sont accélérés jusqu’à quelques MeV avant d’être injectés; à chaque révolution, une cavité de haute fréquence produit une accélération. Les bobines de déviation adaptent le champ magnétique pour maintenir la trajectoire des protons dans l’enceinte de rayon constant, jusqu’à obtenir l’énergie souhaitée pour l’extraction. Ce type d’accélérateur permet ainsi de produire un faisceau à énergie variable, avec l’inconvénient d'obtenir un faisceau pulsé de faible fréquence. Cependant, dès qu’une quantité donnée d’ions commence à être accélérée, le synchrotron ne peut fournir une nouvelle salve d’ions d’énergie différente que lorsque le premier train a quitté l’anneau. En d'autres termes, les synchrotrons n'ont pas un rendement continu. Ces machines ont permis de découvrir de nombreuses particules
Un des premiers synchrotrons, le Bévatron (Berkeley, 1954) servit à démontrer l'existence de l'antiproton. Ces accélérateurs ont permis d'obtenir des preuves expérimentales d'éléments fondamentaux comme les quarks. Ils sont utilisés dans les collisionneurs actuels. Il y a ceux qui accélèrent les électrons (comme le LEP) et ceux qui accélèrent les protons (comme le SPS). Lorsqu'un synchrotron fait tourner des faisceaux d'électrons, l'énergie possible est limitée par le rayonnement photonique inhérent au mouvement circulaire des électrons, qui croît très vite et dissipe l'énergie reçue par les particules. Cette radiation électromagnétique est connue sous le nom de « Bremsstrahlung » qui constitue le rayonnement synchrotron. Initialement indésirable, ce rayonnement est très pur, caractérisable en intensité et longueur d’onde ce qui en permet un utilisation en physique, en chimie, en microlithographie des circuits intégrés, dans l'étude de la matière vivante. L’exemple typique d’un synchrotron destiné à la protonthérapie est celui de Loma Linda, en Californie.
A noter que pour traiter une tumeur située à 30 cm de profondeur, une énergie de 425 MeV/n est nécessaire pour les ions carbone (250 MeV/n pour les protons).
Le collisionneur
Au delà de l’énergie requise en médecine, les machines de pointe actuelles sont des collisionneurs. Les particules que nous voyons surgir d’un choc entre deux particules de haute énergie n’étaient pas « déjà là » avant la collision. Elles ne peuvent donc pas être considérées comme les débris des particules initiales. C'est l'énergie même du choc, portée par les deux particules incidentes, qui s’est brutalement matérialisée sous la forme de nouvelles particules, tout droit sorties du vide. Le vide n’est donc pas le néant, mais plutôt une sorte de prologue de la matière ; pour peu qu’on lui donne de l’énergie, il est capable de produire des particules qu’en fait il contenait déjà, mais sous une forme larvée, virtuelle, seulement potentielle.
Dans les processus observés grâce aux détecteurs, la matière (la masse) ne se conserve pas ; seule l'énergie globale reste invariante : celle des particules qui entrent en collision est égale à la somme des énergies portées par toutes les particules qui surgissent du choc.
Le système du laboratoire est celui où le dispositif expérimental est au repos. Le système du centre de masse est celui où les deux particules initiales ont des impulsions égales et opposées.
- Après une collision élastique , les deux particules incidentes sont conservées, seules leurs impulsions sont modifiées. Dans le centre de masse seules les directions des particules ont changé.
- Après une collision inélastique, d'autres particules sont créées, à la place ou en plus des particules incidentes. Une partie de l'énergie a été transformée en masse. La somme vectorielle des impulsions est conservée.
Pour examiner la structure intime des constituants du noyau atomique les accélérateurs doivent accélérer les particules au-delà de 1 GeV/n. Il y a une autre raison à l'utilisation des hautes énergies. La plupart des objets qui intéressent les physiciens des particules élémentaires aujourd'hui n'existent pas à l'état libre dans la nature ; ils doivent être créés artificiellement en laboratoire.
La célèbre équation E = mc2 gouverne l'énergie de collision E requise pour produire une particule de masse m. Plusieurs des particules les plus intéressantes sont si lourdes que des énergies de collision de centaines de GeV sont nécessaires pour les créer. En fait pour comprendre et consolider les théories actuelles il faut aller au-delà du TeV (en construisant des accélérateurs permettant la physique Terascale).
Il y a quatre catégories de collisionneurs :
- électrons contre positrons : le SLAC (Stanford, USA); le LEP (CERN, France-Suisse).
- hadrons contre hadrons (protons contre protons, proton contre antiprotons) : le SPS (CERN, France-Suisse) ; le Tevatron (Fermilab, USA) ; le LHC (CERN, France-Suisse).
- électrons contre protons. Le seul et unique exemple fut l’HERA (Allemagne). - ions contre ions : le RHIC (Brookhaven, USA) ; le LHC pourra également faire
entrer en collision des ions lourds au sein de l’expérience ALICE.
Par ailleurs, sont également envisagées des collisions électrons contre ions
Notons enfin un des progrès technique les plus importants des années 1970-1990 : la maitrise des supraconducteurs destinés aux aimants et aux cavités accélératrices. Certains métaux refroidis à une température proche du zéro absolu (-273 °C) perdent alors toute résistivité électrique, ce qui permet d'y faire circuler sans perte des courants élevés. Fabriquer des électro-aimants supraconducteurs a été une suite de difficultés liées au quenching (le champ magnétique peut altérer la supraconductivité et donc le métal supraconducteur). Les électro-aimants doivent atteindre 4 à 5 Teslas (40 000 à 50 000 Gauss) pour être utilisés dans les accélérateurs. Le but a été atteint avec le Tevatron grâce à un anneau d'aimants supraconducteurs. La supraconductivité peut réduire la consommation électrique des cavités à radiofréquence, surtout dans les collisionneurs électrons-positrons où l'énergie se dissipe en chaleur presqu'autant qu'elle est communiquée aux particules. Les systèmes de vide et, éventuellement, de cryogénie figurent parmi les composantes critiques qui déterminent la capacité d'une installation à rétablir rapidement les conditions de travail suite à une intervention (pannes, maintenance,...). Ceci est d'une importance primordiale pour les applications médicales.
Certaines technologies sont envisagées en vue d’améliorer la pureté et la modulabilité des faisceaux de particules pour utilisation médicale. Citons l’accélérateur à gradient alternatif combinant les propriétés des cyclotrons et des synchrotrons, le cyclotron monté sur bras isocentrique qui décomplexifierait la ligne de faisceau à l’abord du gantry (difficulté majeure rencontrée par le centre d’Heidelberg), accélérateur linéaire à haut gradient électrostatique racourcissant la portion accélératrice grâce à de nouveaux diélectriques hautement résistants au courant électrique, accélérateurs à plasma-laser (bombardement d’un fin matériau riche en protons par un pulse laser créant un pinceau pur de protons monoénergétiques.(127)
Application Nombre en fonctionnement
Accélérateurs de haute énergie (physique des particules) (E>1 GeV)
120 Accélérateurs de basse énergie pour la recherche $ 1000 Production d’isotopes à usage médical $ 200
Radiothérapie > 7500
Recherche pour l’industrie $ 1500
Etude de la structure en masse des matériaux > 7000 Sources de rayonnement synchrotron > 100
TOTAL 17 500
Tableau 14 : Répartition des accélérateurs en fonctionnement dans le monde en 2003
Acheminement du faisceau au patient et transformations pour le rendre utilisable
L’extraction du faisceau peut être obtenue par différentes méthodes. On peut citer par exemple l’utilisation d’un canal électromagnétique (CEM) dans un synchrocyclotron, qui annule le champ magnétique et permet aux particules de sortir en ligne droite. Une extraction par déflexion électrique peut être conçue dans certains cyclotrons conventionnels. Aussi, l’interposition d'un électroaimant (kicker) peut être utilisée, en particulier pour les synchrotrons. Enfin, une approche différente est celle de l'accélération des ions négatifs. Par une procédure simple, il suffit « d'éplucher » les électrons avec une cible. Les ions positifs résultants sortiront de la chambre d’accélération avec une courbure opposée à celle de l’orbite.
Afin de ne pas perturber l’accélération du faisceau (absorption, diffusion), un vide élevé (par ex: 10-6 mbar) est maintenu dans la chambre d’accélération. Ce vide est maintenu aussi le long du transport du faisceau. Certaines installations nécessitent parfois des conditions de vide plus importantes, comme dans le cas de l’accélération des ions négatifs. Pour une utilisation médicale, la diversité des localisations cliniques se traduit par des spécifications techniques différentes pour chaque application, donc par un certain besoin de lignes et de salles spécialisées. Cela permet aussi d'envisager l'alternance rapide du faisceau entre différentes salles pour l'optimisation de l'utilisation d'une installation. En conséquence, le faisceau est transporté après l’extraction vers différentes salles, toujours sous vide. Des systèmes électriques (déviateurs) et magnétiques servent à modifier la trajectoire (dipôles) et à focaliser le faisceau à la façon de lentilles optiques (quadrupôles). Un cas particulier d’optimisation du système de transport qui conditionne la suite du développement de l’hadronthérapie est celui de la conception de bras isocentriques similaires à ceux utilisés dans les accélérateurs linéaires, permettant l’irradiation d’un patient avec des incidences multiples du faisceau sans qu'il soit nécessaire de déplacer le patient entre chaque champ d'irradiation.
En résumé plusieurs étapes suivent la sortie de l’accélérateur :
- focalisation du faisceau pour empêcher sa divergence (lentilles magnétiques). - déviation du faisceau par des électro aimants
- préparation du faisceau de particules à son utilisation :
• déflecteurs qui déplacent le faisceau dans la direction voulue
• système de collimation visant à le sculpter latéralement (également pour les applications médicales)
• détecteurs de particules
• cible (épaisse ou mince) métallique destinée à produire des rayons X de haute énergie (notamment pour les applications médicales). La cible peut être un autre faisceau ou le patient pour ce qui concerne l’hadronthérapie
• raccordement à un autre accélérateur (recherche en physique des particules)
Modulateur
Collimateur
Compensateur
Figure 76 : Partie supérieure : ligne de faisceau du CPICO ;
Mise en forme du faisceau