SMILES est l’acronyme de Séparation en Masse couplée à l’Ionisation Laser pour des applications Environnementales et en Santé. C’est aussi le nom d’un projet soumis par le laboratoire Subatech au CPER 2021-2027 et qui consiste à mettre en place cette technique au sein du laboratoire Subatech en collaboration avec le GIP ARRONAX, afin de quantifier, purifier ou séparer des isotopes.
L’ionisation résonante par faisceau laser, démontrée et expérimentée pour la première fois au LNPI (Leningrad Nuclear Physics Institute) en 1988 et sur l’installation ISOLDE (Isotope Separation On-Line DEvice) au CERN en 1990, promeut sélectivement et efficacement les atomes et les molécules dans leurs états excités et ionisés par photoionisation. La sélectivité atomique est obtenue par un processus multiphotonique de combinaison de fréquences laser spécifiques à un élément donné. Tous les atomes dans l’état fondamental exposés au flux laser sont donc ionisés sélectivement. Lorsque l’ionisation résonante laser permet de sélectionner les isotopes selon leur charge Z, l’application du champ électromagnétique permet leur séparation en fonction de leur masse A. Ainsi, par le couplage de l’ionisation laser et de la séparation magnétique, il est possible d’atteindre une grande efficacité de séparation des isotopes.
Cette technique est déjà utilisée dans le monde de la recherche, en particulier dans l’expérience ISOLDE au CERN. Mais à la différence de cette dernière, le dispositif nantais sera dissocié de l’accélérateur et conçu indépendamment de la partie production des radioéléments. Il sera adapté à des expériences sur isotopes stables ou des radio-isotopes avec de très faibles activités.
Améliorer les sources d’ions
A partir des données de la littérature, le travail de recherche et développement a déjà commencé, notamment sur la source d’ions d’un tel dispositif. Actuellement, la majorité des sources d’ions utilisées sont dérivées de la source ISOLDE RILIS. L’ionisation laser y est effectuée dans une cavité métallique chaude où pénètrent les atomes de l’échantillon. La haute température de la cavité limite l’adsorption des espèces ionisées sur les parois et favorise l’expansion des neutres mais génère également un phénomène concurrent d’ionisation de surface. Une des limitations des systèmes actuels est la contamination ionique générée par cette ionisation de surface qui réduit les rendements d’extraction des espèces d’intérêt. D’autres techniques sont donc imaginées pour améliorer ces sources notamment sur le mode de libération et d’entraînement de l’échantillon avant ionisation laser comme, par exemple, la désorption laser pour laquelle des premières expériences ont été initiées. Certaines expériences seront faites en collaboration avec des équipes de Mayence (Allemagne) et de MEDICIS CERN (Suisse).
Simulation avec le logiciel SIMION du dispositif complet
De multiples applications, notamment en santé
De multiples applications de ce dispositif sont envisageables. En physique nucléaire, il peut s’agir de la production de faisceaux radioactifs d’éléments exotiques afin d’étudier leurs propriétés nucléaires (structures hyperfine, moments nucléaires, période radioactive), de la préparation de cibles isotopiquement enrichies ou de l’extraction de radio-isotopes d’intérêt pour la médecine nucléaire.
Cette technique permet également l’analyse et la détermination de rapports isotopiques pour des applications environnementales ou en chimie des matériaux. La géochimie isotopique vise notamment à quantifier l’impact des activités humaines dans l’environnement, en particulier dans le milieu aquatique. Les processus de transfert des contaminants métalliques (Cu, Pb, etc…) sont caractérisés à différentes échelles (entre sols et plantes, fleuves et océans…) par l’évolution de leur rapport isotopique. L’intensification de ces études est le résultat des développements instrumentaux dans le domaine de l’analyse. L’ICP-MS haute-résolution permet de mesurer les rapports isotopiques d’éléments jusque-là inaccessibles. Cependant, une séparation chimique en amont est souvent nécessaire pour diminuer l’impact des contaminations isobares. L’ionisation résonante par faisceau laser permet de suivre l’origine des métaux polluants dans l’environnement afin d’éviter ces contaminations.
Vers une production optimisée de cuivre radioactif
Les premières applications de ce dispositif seront dédiées à la quantification et à la séparation du cuivre pour les sciences de l’environnement et pour la physique nucléaire appliquée à la médecine. Le rapport isotopique précis des masses 63 et 65 du cuivre est, en effet, un traceur géochimique et biogéochimique très utile en océanographie. De plus, ils sont considérés comme des contaminants à éviter lors de la production des isotopes du cuivre de masse 64 et 67, prometteurs pour des applications en médecine nucléaire. Des mesures de sections efficaces de production des atomes stables du cuivre pourront être obtenues, permettant d’optimiser la qualité des productions de cuivre radioactif.
Le démarrage en octobre 2020 de la thèse de Keerthana Kamalakannan intitulée « Développement d’un dispositif de séparation en masse avec ionisation laser : applications au cuivre à des fins médicales et environnementales » et financée par le GIP ARRONAX, a donné le coup d’envoi du projet SMILES. Ce travail se déroulera principalement au sein du laboratoire Subatech où sera installé le premier prototype de ce dispositif avec l’aide des membres des équipes PRISMA et Radiochimie. A terme, il pourrait conduire à la mise au point d’un deuxième prototype adapté, quant à lui, à de hautes activités et permettant de séparer les radioisotopes dédiés aux radiopharmaceutiques produits par le cyclotron ARRONAX.
Contact : Nathalie Michel, laboratoire Subatech