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L’astate-211 est un noyau radioactif émetteur de particules alpha qui a une période de 7,2 h.

Du fait de sa masse élevée (4 uma) et de sa charge élevée (Z=2), une particule alpha interagit fortement avec la matière amenant une dépôt linéique d’énergie important sur une courte distance. Cela permet d’envisager la destruction d’une cellule cancéreuse grâce à l’action de quelques particules alpha uniquement. Le faible parcours de ces particules dans la matière, entre 50µm et 100µm suivant leur énergie, permet de plus de limiter l’irradiation des cellules saines environnantes. L’utilisation d’émetteurs alphas est notamment envisagée pour la destruction des cellules circulantes ou le traitement de la maladie résiduelle.

Pour produire l’astate-211, nous avons choisi d’utiliser la réaction (α,2n) sur le Bismuth-209 :

α + 209Bi → 211At + 2n

La probabilité pour que cette réaction ait lieu est présentée sur la figure 1. On voit, courbe verte, que la section efficace est maximum pour une énergie de 30 MeV environ. Cependant, à partir de 28,6 MeV, la rection (α,3n) débute produisant l’astate-210 (courbe rose sur la figure 1). C’est un contaminant que l’on cherche à ne pas produire car il décroit sur le polonium-210 (élément radioactif avec une période longue qui se fixe naturellement sur les os). Il est donc indispensable d’avoir  des particules alpha d’énergie inférieure à 29 MeV.


Figure 1 : Evolution de la section efficace de production en fonction de l’énergie des projectiles :
en vert la courbe pour l’astate-211 et en rose celle pour l’astate-210.

La valeur précise de l’énergie permise fait encore l’objet de discussions car le niveau d’astate-210 toléré n’est pas encore correctement documenté (comme le précise Paracelse, « rien n’est poison, tout est poison, c’est juste une affaire de quantité »). Nous travaillons avec un rapport At-210/At-211 <1E-3.

Cependant, l’énergie du faisceau de particules alpha délivré par ARRONAX est trop importante (68 MeV),  il faut donc la réduire en utilisant un dispositif de dégradation de l’énergie. Ce dispositif, développé en collaboration avec le laboratoire Subatech, consiste en un disque de graphite refroidi à l’eau dont l’épaisseur a été optimisée (cf. figure 2). Il permet de réduire l’énergie à 28,6 MeV. Il est actuellement limité à un courant de 20 µA sur cible sachant qu’il amène une perte d’environ 25% des projectiles.

Figure 2 : Dégradeur en graphite utilisé pour réduire l’énergie des particules alpha permettant la production d’astate-211. A gauche le disque de graphite, au milieu le disque installé dans le support en aluminium assurant le refroidissement, et à droite le système d’insertion dans la ligne d’irradiation.

Afin de produire l’astate-211, nous avons développé une technique de fabrication de cible par dépôt sous vide qui nous permet de réaliser des dépôts homogènes sur des grandes surfaces (14 cm2).

L’irradiation se fait dans les stations d’irradiation IBA avec des navettes adaptées dans lesquelles la cible est inclinée à 15° par rapport à l’horizontale.

Préparation des cibles

Les cibles de bismuth utilisées pour la production d’astate-211 sont obtenues par la technique de dépôt sous vide. Elle permet d’obtenir des dépôts homogènes de plusieurs dizaines de µm (jusqu’à 100µm) avec une très bonne homogénéité sur des surfaces importantes (jusqu’à 14 cm2). Sur la figure 3, on peut voir à gauche une cible, c’est-à-dire le bismuth sur son support céramique et à droite, l’évolution de l’épaisseur en fonction de la position sur la cible mesurée à l’aide d’un profilomètre.


Figure 3 : cible de bismuth sur son support céramique (à gauche) et
évolution de l’épaisseur sur une tranche de la cible réalisée à l’aide d’un profilomètre (à droite).

 

Extraction et purification

Une fois l’irradiation réalisée, on extrait l’astate-211 à l’aide d’une méthode de distillation par voie sèche. On utilise le fait que la température de sublimation de l’astate est inférieure à celle du bismuth et des autres contaminants potentiellement présents dans la cible. On chauffe ainsi la cible à 800°C. A cette température, le bismuth devient liquide ce qui permet de libérer l’astate qui lui se retrouve sous forme gazeuse. A l’aide d’un gaz neutre, on entraine l’astate vers l’extérieur du four et on le condense en sortie dans le capillaire qui est placé à -45°C. Sur la figure 4, on voit l’évolution au cours du temps de l’activité d’astate-211 condensé dans le capillaire. On constate que l’ensemble du processus est très rapide, quelques dizaines de minutes seulement. Le rendement obtenu avec cette méthode est supérieur à 80%.

Figure 4: four dans lequel la cible est placée pour réaliser la distillation permettant l’extraction de l’astate-211 (à gauche)
et évolution de l’activité extraite en fonction du temps (à droite).

L’astate-211 est produit maintenant de manière régulière dans notre installation depuis 2014. Cela a permis à nos partenaires de réaliser des études originales, que ce soit en chimie fondamentale sur les propriétés de l’astate-211 (laboratoires Subatech et Ceisam) ou sur des méthodes nouvelles de radiomarquage (laboratoire CRCINA). Les références des publications associées à ces travaux peuvent être trouvées dans la rubrique publication.