Alternative au radium ou polonium : l’accélérateur de particules

cyclo Joliot


On voit déjà dans la découverte de la radioactivité artificielle l’importance de disposer de faisceaux de particules d’énergie élevée, et de forte intensité.

En parallèle des recherches avec les sources radioactives, l’idée d’accélérer des particules en utilisant des champs électriques a progressé.

(elle l’avait même précédé:  la découverte des rayons pénétrants vient de l’étude des tubes a vide (voir rayons cathodiques), qui accélèrent justement des particules, ce qui a permis de les découvrir, et a été la technologie de base  de l'électricité électronique pendant la moitié du XXeme siecle, y compris le premier accélérateur (Wideroe)).

(tube de Geissler, deuxieme moitié du XXéme siecle, utilisé a l'estimation  du vide, mais inventé vers 1850) 





Accélérateur électro statique : tension maximale aujourd’hui une quinzaine de MegaVolts


L’idée la plus simple consiste a accélérer les particules entre les deux plaques d’un condensateur  (comme pour le tube cathodique voir lien ci dessus) .  Il faut accumuler des charges électriques en un point, et une des solution d’ailleurs est d’utiliser des charges produites par frottement et de les déposer (cf systeme laddertron d’un tandem, ou courroie d'un Van de Graf).    Mais même aujourd’hui il est difficile d’atteindre des tensions de plus de 15 millions de volts, sans être perturbé par des claquages.


1932 : 1ere transmutation (p 0.4MV)

Dès 1932 Cockroft et Walton avaient pu accélérer des protons (=ion hydrogène)  avec une tension de 0.4 millions de volts (pouvait aller jusqu’à 0.7) , et obtenir une transmutation  du Lithium.

photo walton en principe ici




Accélération par réutilisation d’une tension alternative  (ou onde résonnante)

Dès les premiers développements des accélérateurs, on a envisagé d’utiliser une accélération en plusieurs étapes, permettant d’additionner les effets de tensions plus modestes,   en utilisant une tension alternative, ou plus précisément une onde progressive.   En 1924 Ising propose une telle  « accélération résonnante »  où les particules de déplacent entre des électrodes dont la tension varie (en phase avec ce déplacement).

Linac : Wideroe 1928

Rolf Wideroe parvient à construire et faire fonctionner un appareil sur ce principe, a 1MHz, 25 KVolts,  et accélere des ions potassium à 50 KeV

Ce premier LINAC n’a qu’une électrode.   Négative, cette électrode attire les ions positifs produits par la source, n’a pas d’influence lorsqu’ils la traversent, puis lorsqu’ils ressortent elle a changé de signe de charge et donc les repousse. L’effet de la tension, 25KVolts, est donc doublé et confère une énergie de 50KeV (Kilo électron Volt) à l’ion (dont la charge initiale est celle (résultant de l’arrachage) d’un seul électron).

Le tube à vide contenant l’électrode accélératrice, et l’électronique associée, utilisés par R.Wideroe en 1928 (croquis extrait de sa thèse).


Un des quelques exemplaires de ce type de LINAC « Wideroe » (à électrodes reliées à deux lignes parallèles et non pas coaxiales)   est visible sur la pelouse nord du batiment 100 au campus d'Orsay.

En plaçant  plusieurs  électrodes les unes derrière les autres, on peut cumuler leurs effets. Il faut que la longueur des électrodes augmente avec la vitesse des particules ( voir cette page).



Cyclotron : lawrence 1929-1932

Lawrence s’appuie sur l’article de Wideroe,  réutilisant la méthode d’ajouter des accélérations successives, mais en utilisant une seule paire d’électrodes,   entre lesquelles les particules sont ramenées plusieurs fois, par  un champ magnétique :  c’est le cyclotron

Il y a deux électrodes : constituées par les parois de deux demi-camemberts représentés par deux demi cercles jaunes sur le schéma ci contre, qui sont  en forme de D et qu’on appelle  « dee » en anglais.


Elles définissent  une bande de séparation au centre du cyclotron. Le tout baigne dans un champ magnétique.    La particule traversant (comme on peut le voir sur la photographie ci-contre il y a un trou dans la paroi du dee que l’on est en train de démonter)  l’espace entre les deux électrodes    est accélérée par le champ électrique entre elles,  puis effectue un demi-cercle dans le champ magnétique , est accélérée à nouveau  (avec le champ en sens inverse car la tension entre les deux électrodes est oscillante et s’est inversée) , effectue un demi-cercle et retourne à la première électrode, et ainsi de suite   (explication très simplifiée).

 

Cyclotron construit au  laboratoire de chimie nucléaire du college de France

la « culasse » de ce cyclotron devrait etre visible à proximité du batiment 100, sur une pelouse, dans le futur

Dès 1933  Frederic Joliot Curie a initié le projet de construire un cyclotron. Sa construction a démarré en 1936.  

C’est le premier cyclotron en France,

(voir la video « les cyclotronistes »)







Extrait du livre de  M.Nahmias

« Un filament de tungstène, chauffé par passage d’un courant, émet des électrons, qui vont aller ioniser les molécules d’hydrogène .    On crée donc ainsi des particules chargées :  ces ions hydrogène.

Ces ions hydrogene  n’ont pas une vitesse nulle et vont donc décrire des cercles,  de par l’effet du champ magnétique.

 

Lors du passage entre les plaques du DEE, ces charges électriques sont attirées ou repoussées suivant la charge existant sur les plaques.  Les charges qui arrivent au bon moment par rapport au rythme de changement de signe des plaques vont donc etre accélérées.  Puis décrire un demi cercle et arriver de l’autre coté du DEE.   Si a nouveau la charge des plaques du DEE est dans le bon sens, la particule chargée est de  nouveau accélérée, et en sortant du DEE décrit un cercle plus large, puis pénètre dans la première zone inter plaque du DEE, et si c’est au bon moment est a nouveau accélérée, etc ….

On voit donc qu’il faut que le rythme de changement de signe dans le DEE soit bien réglé pour que le système fonctionne. La première alimentation mise en place vers 1938 n’était pas réglable ce qui nuisait aux performances.   Ce sont des ingénieurs allemands qui ont mis en place une alimentation réglable,   qui a permis de meilleures performances à partir de 1942. »

  Extrait d’un article de « la science et la vie », n° 240, 1939, de M-E.Nahmias « le cyclotron, la désintégration de la matiere et la radiobiologie » (http://www.histcnrs.fr/fac-simile/cyclotron-joliot/cyclotron-joliot.html).

Cette photographie montre bien les différents éléments du cyclotron, dans leur contexte de 1939 au sous-sol du college de France.

Des 1933 F. Joliot Curie réalise que des sources de particules plus énergétiques sont nécessaires, et contacte H.Lawrence afin de construire un cyclotron. C’est en 1936, soutenu par son prix Nobel et le gouvernement, que la réalisation du cyclotron peut démarrer, avec la création de sa chaire de professeur et du laboratoire de chimie nucléaire du collège de France. En 1938 un premier faisceau de deutons de 6.7 MeV peut être obtenu, avec une intensité qui, utilisée pour produire des neutrons, correspond au flux obtenu avec quelques grammes de radium (un gramme de radium était alors extrêmement rare et précieux, la matière la plus chère du monde, puisque la meilleure source de rayonnement à cette époque).

Ce cyclotron était clos, (par une mince feuille d’or), et le faisceau sortait dans l’air, ce qui permettait d’ailleurs de le visualiser par la lumière qu’il produisait.


La lumière produite dans l’air par la sortie du faisceau. En haut et en bas on reconnait les bobines.

Le faisceau était utilisé comme pour des rayons issus d’une source radioactive, soit directement sur un échantillon, soit sur du « glucinium » (Béryllium) produisant alors des neutrons qui étaient utilisés sur un échantillon. Ensuite ces échantillons, contenant donc des radioéléments, étaient étudiés ou utilisés séparément. On mesurait leur temps de demi vie (le temps pour que leur nombre soit divisé par 2) , les rayons émis (alpha, béta, gamma) et la distribution de leur énergie. La découverte de la possibilité de créer de nouveaux noyaux instables (radioactifs) était toute récente, 1934, et la compréhension de la structure du noyau en plein développement. Il fallait produire et répertorier l’ensemble des noyaux accessibles, décrire et comprendre les états de ces noyaux d’après les rayonnements produits lors de leur désexcitation en un autre noyau, instable ou stable. Une autre dimension de cette nouvelle possibilité de sources radioactives était l’utilisation pour la biologie: il devenait possible de suivre le parcours de molécules dans les organismes vivants, grâce à l’utilisation de molécules comprenant un atome radioactif à la place d’un atome stable. Phosphore, Fer, Cuivre, iode, arsenic, il devenait possible de parcourir le tableau périodique, et d’accéder à des radioéléments à vie plus longue. . Pour la médecine, il devenait possible d’utiliser d’autres sources de rayonnement que le radium, en particulier dans la lutte contre le cancer. Tous ces développements impliquaient aussi le développement de solutions techniques, nouvelles techniques de production et de détection.


de Paris à Orsay

Dans la même logique de développement des accélérateurs, dès 1942 Irène Joliot Curie, directrice de l’institut du radium, avait cherché à obtenir la création d’un site a l’extérieur de Paris. C’est en 1954 avec le lancement du CERN qu’est obtenu le soutien gouvernemental pour la construction des laboratoires et des accélérateurs d’Orsay. En avril 1958 le cyclotron du laboratoire de chimie nucléaire du collège de France est déplacé et installé à Orsay. Parallèlement au développement des recherches en physique nucléaire, F.Joliot Curie encourage des études à plus haute énergies au CERN . Ce qui par essaimage contribuera plus tard à la création du LPNHE à Paris et du LAPP a Annecy. En 1967 le cyclotron est démonté, sa chambre interne est exposée au CNAM. L’aimant (culasse d’origine, et bobine modernisée) sont utilisés comme aimant de déviation. En 1991 le centre de protonthérapie d’Orsay (CPO), de l’institut Curie, est créé à Orsay pour utiliser le faisceau de protons du synchrocyclotron à des fins thérapeutique. Depuis, le CPO s’est développé et utilise d’autres cyclotrons. L’aimant du cyclotron de F.Joliot Curie est actuellement (2019) toujours en place dans le bâtiment 101, mais n’est plus utilisé, non plus que le synchrocyclotron.