Haut

L’accélérateur du Groupement d’Intérêt Public (GIP) d’Arronax est un cyclotron à champ azimutal variant pouvant permettre de délivrer plusieurs types de particules (alpha, proton, deutons) à des énergies cinétiques de 70 MeV. Ces particules sont employées pour la production de radio-isotopes et la recherche dans différents domaines tels que la radiolyse, la radiochimie, la radiobiologie, la physique et les détecteurs de particules.

L’étendue des particules, énergies et intensités moyennes (nombre de particules par seconde) disponibles font du cyclotron un outil unique comparé à l’ensemble des cyclotrons existant en 2018 dans le monde.

Figure 1 : Le cyclotron du GIP Arronax dans sa casemate.

8 lignes de faisceaux disposées en étoile autour du cyclotron sont utilisables pour les expériences et production de radio-isotopes.

Les caractéristiques du cyclotron Arronax

  • Multi-particules : protons, particules alpha et deutons ‏

  • Energie cinétique : 30-70 MeV protons, 68 MeV alpha
  • Intensité : 750 µA protons, 35 µA alpha, 80 µA deutons
  • 2 sorties simultanées en protons à énergie et intensité différentes si besoin
  • Pulsation des particules

 

Le cyclotron et son environnement

Le cyclotron est situé dans un hall central et est séparé des casemates des cibles et expériences par des murs de plusieurs mètres d’épaisseur.

La figure 1, ci-dessous, montre les 6 lignes de faisceau partant du cyclotron.
La ligne de recherche à bas courant se reconnait par une division en 3 lignes supplémentaires.

Figure 2 : Plan tridimensionnel du cyclotron entouré par les 6 lignes de faisceaux. En jaune, sont représentés les aimants.

Le C70 (C pour Cyclone) d’ARRONAX est un cyclotron isochrone à 4 secteurs. Son diamètre extérieur est d’environ 4 m et fait à peu près 145 tonnes. Sa fréquence de fonctionnement est de 30.45 MHz avec des cavités RF composées de 2 dees soumis à une tension de 65 kV.

Caractéristique du cyclotron ARRONAX

Le Tableau 1 présente les caractéristiques principales du faisceau pour les quatre types de particules. Pour les protons, l’intensité moyenne utile la plus élevé du faisceau est obtenue avec 2 lignes en fonctionnement à 375 µAe (microampère électrique) et a une énergie de 70 MeV. En 2018, des faisceaux protons d’intensité moyenne de 130 µAe a 70.3 MeV sont régulièrement utilisés et des faisceaux de particules alpha sont régulièrement employés à des intensités de 120 nAe.

 

Tableau 1 : caractéristique du cyclotron ARRONAX
Particules extraiteséventail des énergies (MeV)Intensité faisceau le plus élevé (µAe)Intensité les plus utilisés (µAe)
H+35 – 70.3375 x 20.05 – 130 x 2
He2+68700.07 – 0.1
HH+35500.1 – 1
D+15 – 35500.05 – 1.2

Le cyclotron délivre uniquement des particules positives sous formes de paquets aux expériences situées en bout de ligne.

Le cyclotron se sous-divise en plusieurs sections (voir sections de l’accélérateur) :

 
Les sections de l’accélérateur

De la source a l’extraction

L’accélérateur est constitué de plusieurs sections telles que montrées dans la figure 2 ci-dessous.

Figure 2 : vue schématique des sections de l’accélérateur.

Les particules initiales sont créées dans 2 sources distinctes placées au dessus de l’accélérateur :

  • La source multicusp produit les ions négatifs H- et D- (qui donneront plus tard les protons H+ et deutons D+)
  • La source ECR (résonance cyclotronique des électrons) est utilisée pour les ions He2+ (alpha) et HH+

Les sources :

  • Injection d’un gaz
  • Champs Magnétiques piégeant les particules chargées
  • Création d’un plasma permettant une séparation des électrons et des ions
  • Sélections des ions utiles qui vont être accélérées grâce une différence de potentielle

Les particules sortent sous forme de flux continue. Ce flux de particules, a basse énergie, a une dimension (taille) et des distributions angulaires globalement dans la même direction et spécifiques qui sont dépendantes de l’état et des réglages de la source.

On dit que l’ensemble des particules, avec la taille du flux et l’angle globale des particules, forme l’« émittance ». Ce terme peut-être associé à la qualité du flux de particule : Plus l’émittance est petite et plus le faisceau de particules est de bonne qualité.

L’injection :

Toutes ces particules sont accélérées a quelques dizaines de keV (~40keV pour proton, ~20 keV pour les autres) et envoyées dans la section verticale dite « injection » qui va préparer les paquets de particules à l’aide de plusieurs éléments magnétiques. Ces aimants modifient la direction et la taille du faisceau pour que celui-ci aie une dimension et un positionnement optimal lors de son arrivée au centre du cyclotron.

L’injection dispose de diagnostics mais aussi d’un « buncher », qui détermine la taille initiale longitudinale des paquets. Celui-ci est synchronisé avec la Radio-Frequence (RF) du cyclotron et sert à créer les paquets qui seront accélérés dans le cyclotron. Il est a noté que la mise en place d’un champ radiofréquence pour l’accélération dans le cyclotron, qui impose une acceptation longitudinale, conforte la distribution en paquet.

La pulsation des particules :

30.45 millions de paquets par seconde sont envoyés vers les cibles avec le fonctionnement standard de l’accélérateur. Il est possible à Arronax d’employer un système, appelé pulsation, qui va limiter le nombre de paquet accélérés et donc envoyés. Ce système se base sur un « chopper », qui effectue un découpage des paquets, dans l’injection de l’accélérateur. En pratique, deux plaques parallèles sous forte tension permettent de dévier les paquets et donc de sélectionner ceux qui seront accéléré. Ceci permet d’obtenir des trains dont la période et la longueur peuvent être modifié (voir figure 3 ci-dessous). Il en découle une intensité moyenne (<I>) qui peut aussi être modifié via ce système.

Figure 3 : le résultat de l’utilisation des modes de pulsation conduit à des trains qui contiennent chacun un nombre de paquet accéléré. Chaque train est constitué de paquets espacé de 30.82ns.

 

Pour connaitre les paramètres temporels de la pulsation, veuillez nous contacter.

La région centrale :

Les paquets de particules sont déviés de la direction verticale vers le plan horizontal du cyclotron par un déflecteur spiralique. Ce déflecteur, qui est divisé en plusieurs pièces soumises à des tensions de plusieurs milliers de volt, a une forme de colimaçon.

Le cyclotron :

Les particules sont alors accélérées à l’intérieur de la chambre à vide du cyclotron à l’aide des Dees. Les particules sont gardées sous une trajectoire circulaire par le champ magnétique perpendiculaire au plan du cyclotron et qui est au maximum de 1.7T. Du fait de la constante augmentation en énergie cinétique des particules, la trajectoire globale est celle d’une spirale et ceci jusqu’à l’éjection des particules hors du cyclotron.

La radiofréquence du cyclotron est d’environ 30.45 MHz. Les paquets de particules sont placés sur les harmoniques 2 et 4, pour respectivement les protons et les autres particules. La fréquence de révolution des paquets dans le cyclotron est donc respectivement de 15.225 et 7.61 MHz. Les paquets restent extraits tous les 32.84 ns.

L’extraction :

L’éjection se fait en fonction de la charge des ions.

Pour les ions négatifs qui sont entourés par un nuage de deux électrons, un éplucheur d’électrons est employé. Celui-ci est placé à l’intérieur du cyclotron et est donc dans son champ magnétique global. Les ions deviennent alors positifs et leur trajectoire est l’opposé de celle qu’ils disposaient avant l’interaction avec l’éplucheur. L’éplucheur d’électron est une feuille de carbone de quelques centaines de nm d’épaisseur.

Pour les particules positives, un déflecteur électrostatique (généralement à 66kV) permet de dévier les particules vers les boites d’extraction et les lignes de faisceaux.

Les lignes de faisceaux :

Le GIP Arronax dispose de 6 casemates qui ont chacune une ligne de faisceaux. Ces lignes de faisceaux sont composées d’éléments magnétiques, tels que des dipôles ou quadripôles, qui permettent de maintenir les particules dans le tube faisceau. Dans ce tube faisceau, un vide poussé, règne (~10-6mbar).

Casemates de tir: