L’accélérateur Arronax est un cyclotron à champ azimutal variant capable de délivrer plusieurs types de particules (alpha, protons, deutons) à des énergies cinétiques pouvant atteindre jusqu’à 70 MeV. Ces particules accélérées sont employées pour la production de radioisotopes et pour 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 Arronax un outil unique au monde à ce jour. Huit lignes de faisceaux disposées en étoile autour du cyclotron sont utilisables pour les expériences et la production de radioisotopes.
Le cyclotron Arronax dans sa casemate.
Les caractéristiques du cyclotron Arronax
Arronax est un cyclotron isochrone à quatre secteurs. Il est constitué d’un électro-aimant capable de développer un champ magnétique vertical maximum de 1,64 T qui maintient les particules sur des trajectoires spirales dans le plan horizontal.
- Multi-particules : protons (H+), alpha (He2+) et deutons (D+)
- Énergie 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
- Cyclotron isochrone à quatre secteurs
- Diamètre extérieur : environ 4 m
- Hauteur : 3,60 m
- Poids : environ 145 tonnes, soit le poids à vide d’un Boeing 777
- Fréquence de fonctionnement : 30,45 MHz avec des cavités RF composées de deux dees soumis à une tension de 65 kV
L’étendue des utilisations de l’accélérateur est décrite dans les techniques innovantes d’irradiation.
Le cyclotron Arronax est situé dans une casemate centrale. Il est séparé des casemates des cibles et expériences par des murs de près de 4 mètres d’épaisseur.
Plan tridimensionnel du cyclotron Arronax entouré par les six lignes de faisceaux. En jaune : les aimants. La ligne de recherche à bas courant se reconnait par une division en 3 lignes supplémentaires.
Pour les protons, l’intensité moyenne utile la plus élevée du faisceau est obtenue avec deux lignes en fonctionnement à 375 µAe (microampère électrique) chacune et à une énergie de 70 MeV. Actuellement, des faisceaux protons d’intensité moyenne de 130 µAe à une puissance de 70,3 MeV et des faisceaux de particules alpha à des intensités de 120 nA sont régulièrement utilisés.
| Faisceaux de particules | Énergies (MeV) | Intensité max. (µA) |
| H+ (protons) | 35 – 70 | 375 x 2 |
| He2+ (alpha) | 68 | 70 |
| HH+ | 35 | 50 |
| D+ (deutons) | 15 – 35 | 50 |
Tableau 1 : caractéristiques du cyclotron Arronax.
Le cyclotron Arronax délivre uniquement des particules positives sous forme de paquets aux stations d’irradiation et expériences situées en bout de ligne.
L’installation se sous-divise en plusieurs sections :
- Les sources
- L’injection
- La pulsation des particules
- Le déflecteur spiralique
- Le cyclotron
- L’extraction
- Les lignes de faisceau
- Les bouts de lignes (ciblerie et expériences)
De la source à l’extraction
Vue schématique des sections de l’accélérateur
Sources
Les particules initiales sont créées dans deux 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+
Elles sont obtenues grâce à :
- l’injection d’un gaz
- des champs magnétiques piégeant les particules chargées
- la création d’un plasma permettant une séparation des électrons et des ions
- la sélection des ions utiles qui vont être accélérés grâce une différence de potentiel
Les particules sortent sous forme de flux continu. Ce flux de particules, à basse énergie, a une dimension (taille) et des distributions angulaires globalement dans la même direction et qui sont spécifiquement dépendantes de l’état et des réglages de la source.
L’ensemble des particules, avec la taille du flux et l’angle global des particules, forme l’« émittance ». Ce terme peut-être associé à la qualité du flux de particules : plus l’émittance est petite, plus la qualité du faisceau de particules est bon.
Injection
Toutes ces particules sont accélérées à 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 ait 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-Fréquence (RF) du cyclotron et sert à créer les paquets qui seront accélérés dans le cyclotron. La mise en place d’un champ radiofréquence pour l’accélération dans le cyclotron, qui impose une acceptance longitudinale, conforte la distribution en paquet.
Pulsation des particules
Avec le fonctionnement standard de l’accélérateur, ce sont 30,45 millions de paquets par seconde qui sont envoyés vers les cibles. Il est possible à Arronax d’employer un système, appelé pulsation, qui limite le nombre de paquet accélérés, donc envoyés. Ce système repose 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 accélérés. Ceci permet d’obtenir des trains dont la période et la longueur peuvent être modifiées (voir ci-dessous). Il en découle une intensité moyenne <I> qui peut être modifiée via ce système.
L’utilisation des modes de pulsation conduit à des trains qui contiennent chacun un certain nombre de paquets accélérés. Chaque train est constitué de paquets espacés de 32,84 ns.
Pour connaitre les paramètres temporels de la pulsation, merci de nous contacter.
Déflecteur spiralique
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.
A l’intérieur du cyclotron
Les particules sont alors accélérées à l’intérieur de la chambre à vide du cyclotron par le champ électrique RF régnant entre les Dees. Les particules sont gardées sous une trajectoire circulaire par le champ magnétique perpendiculaire au plan du cyclotron, dont la valeur maximale est de 1,64 T. 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.
Afin de compenser, l’augmentation du facteur de Lorentz γ, la valeur moyenne du champs magnétique est augmenté avec le rayon.
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 toutes les 32,84 ns.
Extraction
L’éjection se fait en fonction de la charge des ions accélérés.
Dans le cas des ions négatifs (H– et D–), 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 donc soumis à 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 (He2+ et HH+), 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 six casemates qui ont chacune au moins 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 lequel règne un vide poussé d’environ 10-6 mbar. Elles sont installées dans des casemates de tirs :
- 4 stations d’irradiations pour cibles solides
- 1 station d’irradiation basse intensité
- 1 activateur neutronique