Cyclotron

---

Contexte

Le cyclotron moderne utilise deux électrodes creuses en forme de D maintenues sous vide entre les pôles d'un électro-aimant. Une tension alternative haute fréquence est ensuite appliquée à chaque électrode. Dans l'espace entre les électrodes, une source d'ions produit des ions positifs ou négatifs selon la configuration. Ces ions sont accélérés dans l'une des électrodes par une attraction électrostatique, et lorsque le courant alternatif passe du positif au négatif, les ions accélèrent dans l'autre électrode. En raison du fort champ électromagnétique, les ions se déplacent selon une trajectoire circulaire. Chaque fois que les ions se déplacent d'une électrode à une autre, ils gagnent de l'énergie, leur rayon de rotation augmente et ils produisent une orbite en spirale. Cette accélération se poursuit jusqu'à ce qu'ils s'échappent de l'électrode. Les particules accélérées sont extraites du cyclotron lorsqu'elles atteignent la fin de la trajectoire d'accélération en spirale. Ce faisceau de particules subatomiques accélérées peut être utilisé pour bombarder une variété de matériaux cibles afin de produire des isotopes radioactifs.

Divers isotopes sont utilisés en médecine comme traceurs injectés dans le corps et dans les traitements de radiothérapie pour certains types de cancers. Les cyclotrons sont également utilisés à des fins de recherche en milieu universitaire et industriel, et pour la tomographie par émission de positons (TEP). La tomographie par émission de positons (TEP) est une technique de mesure des concentrations de radio-isotopes émetteurs de positons dans les tissus de sujets vivants. L'utilité de la TEP est que, dans certaines limites, elle a la capacité d'évaluer les changements biochimiques dans le corps. Toute région du corps qui connaît des changements biochimiques anormaux peut être vue par TEP. La TEP a eu un impact énorme sur les applications cliniques des maladies neurologiques, notamment les maladies vasculaires cérébrales, l'épilepsie et les tumeurs cérébrales.

Historique

EO Lawrence et ses étudiants diplômés de l'Université de Californie à Berkley ont essayé de nombreuses configurations différentes du cyclotron avant de rencontrer le succès en 1929. Le premier cyclotron était très petit, utilisant des électrodes, un oscillateur à radiofréquence produisant 10 watts, un vide, de l'hydrogène ions, et un électro-aimant de 4 pouces (10 cm). La chambre accélératrice du premier cyclotron mesurait 5 pouces (12,7 cm) de diamètre et propulsait les ions hydrogène à une énergie de 5 à 45 MeV en fonction des réglages. Un méga électron-volt (MeV) correspond à 1,602 × 1013 J. (J signifie Joule, l'unité standard d'énergie.) La conception, la construction et l'exploitation de cyclotrons de plus en plus grands ont impliqué un nombre croissant de physiciens, d'ingénieurs et de chimistes. Lawrence n'a jamais été certain de savoir si ses recherches devaient être classées en physique nucléaire ou en chimie nucléaire.

Matières premières

Les aimants du cyclotron sont constitués de 25 tonnes d'acier à faible teneur en carbone avec deux pôles nickelés. Physiquement, le cyclotron pèse 55 tonnes et est situé à l'intérieur d'une voûte intérieure avec des murs et des portes en béton d'environ 6,6 pieds (2 m) d'épaisseur pour protéger l'environnement du rayonnement nucléaire présent lorsque la machine fonctionne. Heureusement, la plupart de ces rayonnements ont une demi-vie de quelques secondes à quelques minutes, il n'y a donc pas de problèmes d'élimination des déchets à long terme. Les dimensions réelles sont d'environ 100 × 100,5 × 39 pi (30,5 × 30,6 × 11,9 m). Les bobines sont fabriquées en cuivre recuit, isolées avec de la fibre de verre et recouvertes d'une résine époxy. Le réservoir à vide en aluminium est scellé par des joints toriques en polyuréthane. La source d'ions utilise un filament de tungstène pour alimenter l'hydrogène gazeux et un garnissage en polyéthylène boré est utilisé pour réduire l'accumulation de neutrons thermiques autour des composants du cyclotron. Le changeur de cibles permet à l'opérateur du cyclotron de sélectionner différentes cibles sur chacune des lignes de lumière à irradier et sont principalement constituées d'aluminium, avec un minimum d'acier inoxydable pour minimiser l'activation des neutrons.

Conception

La conception du cyclotron varie selon les spécifications de l'acheteur. Ebco Technologies Inc. construit deux types différents de cyclotrons à ions négatifs, l'un capable d'accélérer des protons jusqu'à un niveau d'énergie maximal de 19 MeV (TR19) et l'autre capable d'accélérer des protons jusqu'à 32 MeV (TR32). La configuration standard du cyclotron TR19 est avec deux lignes de lumière externes, mais il existe une version réduite avec une option d'une ligne de lumière. La configuration de cible standard TR19 est avec deux lignes de lumière externes et huit cibles. Il existe une option de conception de deux à quatre cibles sur une ligne de lumière, avec la mise à niveau jusqu'à huit cibles à une date ultérieure. Le TR19 est également disponible dans une configuration auto-blindée ou non blindée. La fonction d'auto-blindage élimine le besoin d'une voûte cyclotron ou de mises à niveau majeures des installations existantes. De plus, l'espace magnétique du TR19 est vertical pour minimiser l'espace.

Le système radiofréquence (RF) se compose d'un amplificateur RF, d'une ligne de transmission coaxiale de l'amplificateur RF au cyclotron, d'une alimentation électrique et de dispositifs d'instrumentation et de relecture, d'un oscilloscope, de courant/tension, de jauges de puissance et d'interfaces avec le système de contrôle informatisé. Un contrôleur de débit massique, une vanne à pointeau et une vanne pneumatique régulent la pression et le débit du gaz.

Un filament de tungstène est placé à l'intérieur de la source d'ions et lorsqu'il est chauffé, il ionisera l'hydrogène gazeux. Un filtre plasma est placé sur l'ouverture de la source d'ions pour améliorer les conditions de production d'ions négatifs.

Les ions négatifs générés seront injectés dans le cyclotron au niveau de son axe X. Le système d'injection est fabriqué à partir d'un ensemble d'aimants de direction pour concentrer les ions négatifs sur le plan d'accélération par l'inflecteur en spirale incliné.

Ernest Orlando Lawrence.

Ernest Orlando Lawrence est né dans le Dakota du Sud le 8 août 1901. Il a obtenu son baccalauréat en physique en 1922 à l'Université du Dakota du Sud. Lawrence est entré à l'école supérieure de l'Université du Minnesota, terminant sa maîtrise en un an. Il a obtenu son doctorat. à Yale en 1925, y restant pendant trois ans comme membre du Conseil national de recherches, puis comme professeur adjoint. En 1928, il devient professeur agrégé à l'Université de Californie à Berkeley. Deux ans plus tard, Lawrence est devenu le plus jeune professeur titulaire à Berkeley.

Lawrence a conçu son invention la plus célèbre, le cyclotron, en 1929. Il s'est rendu compte que pour atteindre des énergies de particules de quelques MeV (millions d'électrons-volts) nécessaires aux expériences nucléaires, il pouvait convertir la trajectoire linéaire de la particule en une trajectoire circulaire en superposant un champ magnétique. perpendiculairement à la trajectoire de la particule. Lawrence a immédiatement prouvé que la fréquence de révolution d'une particule ne dépend que de la force du champ magnétique et du rapport charge-masse de la particule, et non du rayon de son orbite. C'était le principe de base du cyclotron, que Lawrence a signalé pour la première fois à l'automne 1930.

En 1932, Lawrence s'est marié et a eu six enfants. Il a été élu à l'Académie nationale des sciences en 1934, a reçu le prix Nobel de physique en 1939, et a reçu la médaille du mérite en 1946 et le prix Fermi en 1957. Lawrence est resté à Berkeley jusqu'à sa mort le 27 août 1958 d'une maladie intestinale ulcère.

Le processus de fabrication

1. Les équipes de projet coordonnent les conduits, les chemins de câbles, les conduits au sol et les équipements associés Un exemple de chambre d'accélération sous vide avec un gros plan de la chambre à vide. avant l'expédition, le gréage et l'installation du cyclotron et de ses sous-systèmes.
2. Le processus de fabrication commence avec l'aimant en acier de 25 tonnes. Il est usiné à partir de dalles de 10 pouces (25,4 cm) et placé entre les pôles d'un puissant électro-aimant jusqu'à ce que la zone de champ magnétique soit mesurée avec précision.
3. Deux pôles magnétiques nickelés sont forgés en acier à faible teneur en carbone.
4. Deux assemblages de bobines magnétiques sont fabriqués à partir de cuivre creux recuit et durcissent après avoir été pliés en forme. Ils sont montés dans la culasse de l'aimant, connectés à des collecteurs de refroidissement par eau, isolés avec de la fibre de verre et revêtus d'une résine époxy.
5. Le réservoir à vide en aluminium est placé entre les pôles nickelés et boulonné en place. Le réservoir à vide est doté de cryopompes boulonnées à l'extérieur pour refroidir le réservoir à près de -273°C (-459°F) afin de geler les gaz éventuellement présents.
6. Les électrodes sont usinées à partir d'une seule feuille de cuivre à faible résistance de 0,06 pouce (1,6 mm) (pour optimiser le transfert d'énergie du système RF aux ions d'hydrogène en accélération), découpées et gravées à l'aide d'outils de forage et de forets .
7. Ensuite, le réservoir est scellé avec des joints toriques en polyuréthane après le montage des électrodes en cuivre à l'intérieur. Les électrodes sont fixées, à l'aide de vis en nylon et d'entretoises, dans un morceau rond de nylon lisex industriel. Quelques trous sont percés dans le nylon. Deux sont pour le câblage de l'oscillateur. Le troisième est destiné à la pompe à vide; il y a aussi une jauge à vide attachée à ce port.
8. Au-dessus du nylon et entourant les électrodes se trouve un anneau de tuyau en polychlorure de vinyle (PVC). Celui-ci est percé de plusieurs trous, dont le plus grand est le tube de stockage du détecteur. Dans ce matériau se trouvent également des trous plus petits suffisants pour fournir une source de tension à la plaque déflectrice, pour les vis de réglage nécessaires pour contrôler sa position, et des trous de fixation pour le crochet en laiton massif qui sera utilisé pour accrocher l'appareil complet sur un ensemble de Bobines de Helmholtz.
9. Au sommet du tuyau en PVC se trouve un morceau de plastique transparent de qualité industrielle. C'est à la fois pour permettre aux gens de voir le fonctionnement interne du mécanisme, en cas de problème, ainsi que pour augmenter la résistance du boîtier.
10. De chaque côté du PVC se trouve du gel de silicone, afin de maintenir une étanchéité suffisante autour de la chambre principale. Ceci afin que le vide soit le plus efficace possible. Le vide est nécessaire car les particules alpha sont fortement influencées par des particules de toute nature, en particulier l'air. C'est pourquoi les particules alpha sont considérées comme si sûres; au moment où ils contactent une personne par n'importe quel moyen, leur énergie a été si gravement affectée qu'ils ne sont pas en mesure de faire des dégâts.
11. Les parois sont guidées en place par une fine coupe en I sur la face de la feuille supérieure et inférieure et les deux électrodes sont maintenues ensemble à l'aide de vis en nylon de 2 pouces (5,1 cm). Aucune soudure n'a été utilisée dans ces pièces afin de garder la chambre intérieure aussi propre et constante que possible. Dans un mur est découpée une fenêtre d'environ 0,79 po (2 cm) de long.
12. Pivotée sur une vis en nylon se trouve une plaque de cuivre légèrement plus petite (le déflecteur) séparée électriquement du reste du composant. Les vis de réglage extérieures peuvent contrôler la position du déflecteur et celui-ci et chaque électrode ont une connexion électrique. Ceci permet à l'oscillateur d'être fourni aux électrodes et à une grande charge négative d'être mis sur la plaque déflectrice.
13. Le système RF est assemblé à l'intérieur d'un châssis métallique carré de 19 pouces (48 cm) et 6 pieds (1,8 m) de haut. Ici, les résistances, les émetteurs, les commutateurs, les circuits d'accord, les inductances et les condensateurs sont assemblés à la main.
14. Des armoires d'alimentation sont achetées et assemblées pour les cibles et les aimants refroidis à l'eau, les sources d'ions, la pompe cryogénique et les circuits d'eau.
15. La source d'ions sera injectée après montage du cyclotron. Un cylindre magnétique de 4 pouces (10 cm) de diamètre et de 4,7 pouces (12 cm) de long comprend la source d'ions. L'hydrogène gazeux sera injecté à travers un tube capillaire.
16. L'inflecteur spiralé incliné est entouré J par une électrode de forme hélicoïdale mise à la terre. L'électrode est usinée sur une fraiseuse à axe fixe.
17. Ensuite, les corps cibles sont faits d'argent, d'aluminium et de titane de haute pureté et conçus avec des fenêtres en feuille mince refroidies à l'hélium. Les deux fenêtres en feuille séparent le matériau cible du vide poussé à l'intérieur du cyclotron.
18. Un système de refroidissement à recirculation en boucle fermée est placé dans l'armoire métallique des services cibles pour refroidir les fenêtres en aluminium avec des flux d'hélium gazeux à grande vitesse.
19. Les connexions de tubes, les électrovannes, les arrêts de faisceau refroidis à l'eau et les collimateurs isolés électriquement sont assemblés et fixés à l'ensemble cible.
20. L'ensemble cible a un bouchon en aluminium solide qui est percé d'un trou de 10 cm (4 pouces) qui servira de collimateur cible.
21. Des rainures sont usinées sur l'extérieur du bouchon, et le joint torique est monté pour créer le joint à vide entre le corps cible et le changeur de cible à quatre positions.
22. Un disque de collimation est placé entre le bouchon et le corps cible avec une fenêtre des deux côtés.
23. Enfin, l'ensemble du système est intégré à un logiciel de supervision pour contrôler et surveiller le matériel PLC.

Contrôle qualité

Chaque étape du processus de fabrication doit être surveillée pour s'assurer que les pièces sont de qualité standard. Si l'un des composants présente une fissure ou une fuite, le rayonnement peut pénétrer dans l'environnement. L'acier utilisé dans les aimants du cyclotron est soigneusement contrôlé pour s'assurer qu'il possède les propriétés souhaitées. Les champs magnétiques sont contrôlés en permanence par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN).

Sous-produits/Déchets

Le processus de fabrication produit 2 à 3 tonnes de déchets métalliques pendant la production. Celui-ci est recyclé pour les futurs processus de fabrication. En raison du nombre de pièces, l'excédent de matière provenant de la fabrication du cyclotron est important. Si des pièces défectueuses sont trouvées, elles sont récupérées au mieux de leurs capacités, mais la majorité sont mises au rebut.

Le futur

Les améliorations apportées à l'étanchéité de l'unité cyclotron nécessitent que moins de blindage en béton soit fourni sur le site d'installation et fournissent une unité cyclotron plus sûre et plus compacte. Des unités cyclotron plus puissantes sont conçues pour la production commerciale d'isotopes. La dernière série de cyclotrons est à la pointe de la technologie, compacte, à forte focalisation, à quatre secteurs à ions négatifs, avec des sources d'ions externes, des cryopompes, des systèmes d'alimentation et de contrôle de haute précision et une superbe qualité de fabrication. Ils sont désormais de conception modulaire et partagent une technologie commune quels que soient la taille et le type de cyclotron.

Où en savoir plus

Livres

Lawrence, Ernest 0., et Irving Langmuir. Films Moléculaires :Le Cyclotron &Le Nouvelle Biologie. Nouveau-Brunswick :Rutgers University Press, 1942.

Périodiques

Burgerjon, J.J. et A. Strathdee, éd. Cyclotrons — 1972. New York :Institut américain de physique, 1972.

Bonnie P. McClain