Le cyclotron ARRONAX

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1 Le cyclotron ARRONAX Un accélérateur pour la recherche en radiochimie et en oncologie à Nantes-Atlantique Séminaire généraliste 20/10/2005 François GAUCHÉ

2 Objectifs du cyclotron

3 La médecine nucléaire Utilise des médicaments couplés à des radionucléides pour des applications : diagnostiques en imagerie thérapeutiques en radiothérapie dite interne

4 Imagerie : la TEP (tomographie par émission de positons) Cancer du colon

5 Radiothérapie interne : la radioimmunothérapie (RIT) Le médicament est un anticorps anti-tumeur Le radionucléide émet un rayonnement toxique très localisé dans la tumeur

6 Radioimmunothérapie β et α 131 I 213 Bi 70 µm 1000 µm

7 Limites actuelles 1 - Imagerie diagnostique «Monopole» du Fluor Radiothérapie interne 3 - Un paradoxe Nécessité de nouveaux radionucléides (avec des durées de vie plus longues) Nécessité de nouveaux radionucléides - plus efficaces et plus faciles à manipuler - plus toxiques (émetteurs de particules alpha) Les résultats cliniques sont de plus en plus probants Il est de plus en plus difficile de se procurer des radionucléides pour les essais cliniques!

8 Pourquoi un cyclotron? Produire des radionucléides pour la recherche en médecine nucléaire Imagerie : radioéléments TEP complémentaires du fluor-18 par exemple 52 Fe, 82 Sr/ 82 Rb, 55 Co... Dosimétrie : isotopes de radioéléments utilisés en thérapie 86 Y, 64 Cu, 124 I, 44m/44 Sc... Thérapie : alphaimmunothérapie : 211 At, 225 Ac, 213 Bi quelques radioéléments β - : 67 Cu, 64 Cu, 47 Sc

9 Le cyclotron sera également un outil pour la recherche en radiochimie notamment radiolyse alpha un outil pour le développement de détecteurs un outil pour la formation Université de Nantes École des mines de Nantes un site de production industrielle pour les besoins médicaux

10 Principe de fonctionnement

11 Un cyclotron du point de vue de l étudiant en physique

12 Un cyclotron du point de vue du visiteur

13 Principe de production Irradiation de la cible Faisceau de particules Production de radioéléments dans la cible par transmutation Accélération Extraction chimique Séparation Purification Marquage Médicament radioactif

14 Un peu de physique... Les particules accélérées 1/2

15 Un peu de physique... Les particules accélérées 2/2 e e p+ p+ p+ e proton H+ atome d hydrogène H- e e n p+ n p+ n p+ e deuton D+ atome de deutérium D- e e n p+ n p+ e p+ p+ alpha He++ atome d hélium HH+

16 Un peu de physique... L énergie, l intensité m v Énergie cinétique (sans les effets relativistes) = 1/2 x m x v 2 proton de 70 MeV : vitesse de plus de km/s Intensité : c est une mesure du nombre de particules par unité de temps

17 Les éléments du cyclotron Vue d ensemble Source d ions Injection Cible Transport Accélération Extraction

18

19 Les éléments du cyclotron Les sources d ions Production d ions positifs (He++ par exemple) par source ECR Attention : la production d ions négatifs (H-) se fait par un mécanisme plus compliqué. On commence bien par faire un plasma mais la suite est différente.

20 Les éléments du cyclotron L injection axiale La région centrale Il s agit d injecter les ions au centre du cyclotron. Ils arrivent par le haut (ou par le bas) mais ils doivent prendre «le premier virage»! Souvent la «recette de cuisine» des concepteurs de cyclotron. Région centrale du cyclotron région centrale

21 Les éléments du cyclotron L accélération 1/3 On tourne, on accélère, on tourne, on accélère...

22 Les éléments du cyclotron L accélération 2/3 Le champ magnétique fait tourner : il faut un gros électroaimant. La forme des pôles est améliorée pour garder une bonne qualité optique du faisceau (focalisation) : collines/vallées, secteurs droits/secteurs spiralés. C est difficile de faire des champs magnétiques élevés : consommation d énergie.

23 Les éléments du cyclotron L accélération 3/3 Le champ électrique accélère les particules. Il varie à haute fréquence (HF ou RF) : qq dizaines de MHz. Tension de l ordre de V. Les électrodes sont appelées des D (dees). Pour s adapter aux différentes particules, on peut jouer sur la fréquence nominale ou bien sur ses harmoniques. Dees du cyclotron de Lawrence (1930)

24

25 Les éléments du cyclotron L extraction 1/2 Pour les protons, c est facile : on «épluche» les électrons des H- à l aide d une mince feuille de carbone. p+ e e e e Éplucheur p+

26 Les éléments du cyclotron L extraction 2/2 Pour les alphas, c est plus difficile car il n y a pas d électrons à «éplucher». n p+ Déflecteur Le déflecteur devient rapidement une pièce fortement radioactive.

27 Les éléments du cyclotron Les lignes de faisceau 1/2

28 Les éléments du cyclotron Les lignes de faisceau 2/2

29 Les éléments du cyclotron Les cibles

30 Les éléments du cyclotron Le transfert pneumatique

31 Les éléments du cyclotron Les fonctions support Alimentations électriques aimants haute fréquence Refroidissement Vide

32 État d avancement du projet

33 Calendrier du projet Machine Commission d appel d offre : 27 septembre 2005 Construction : novembre 2005 décembre 2007 Bâtiment Appel d offre : jusqu au 28 octobre 2005 Choix du concepteur-réalisateur : janvier 2006 Avant-projets/projet définitif : janvier août ème trimestre 2006 : enquête publique (autorisation) Construction : octobre 2006 décembre 2007 Installation du cyclotron : janvier-août 2008 Mise en service opérationnelle : septembre 2008

34 Caractéristiques principales de la machine

35 ARRONAX : un cyclotron de haute énergie protons (accélération de H-) : variable de 30 à 70 MeV 750 µa deux sorties simultanées (<350 µa, énergies différentes) (pour mémoire) : cyclotron TEP protons (+ parfois deutons) 10 à 20 MeV 100 µa particules alpha (accélération de He++) : 70 MeV (fixe : nécessité d un dégradeur pour des énergies plus basses) 35 µa une sortie HH+ : 17,5 MeV, <50 µa possibilité également de deutons (accélération de D-)

36 Organisation des lignes de faisceau Casemates équipées de cibles dès 2008

37 Casemate expérimentale (alphas ou protons) radiochimie enseignement (physique) autres (détecteurs, radiobiologie...)

38 Faisceau vertical (alphas ou protons) applications : radiochimie - interfaces gaz/liquide (ou gaz/gel) intérêt pour la radiobiologie?

39 Faisceau alpha pulsé particules alpha pulses : longueur : quelques ns durée entre pulses : réglable de 1 ms à l infini charge/pulse : jusqu à environ C (10 7 alphas) applications : radiolyse alpha pulsée, autres?

40 Caractéristiques principales du bâtiment

41

42 Zone conventionnelle Hall Bureaux (21 personnes, dont 8 de passage) Petite salle de réunion (15 pl.) Salle de commande 25 m 2 Salle des alimentations électriques Vestiaire d accès aux zones surveillées et contrôlées Locaux techniques dont petit atelier de maintenance

43 Zone contrôlée Casemates Acquisition Éléments très actifs Local P3 AX C I R C U L A T I O N P2 P1 CC A2 Local Local 180 C I R C U L A T I O N A1 Sas déchets GMP2 GMP1 HSP 3 m Laboratoires de traitement des cibles Laboratoire de traitement des Entreposage Vestiaire Entreposage GMP1&2 MP GMP avec enceintes cibles GMP MP GMP blindées HSP 3 m non GMP avec enceintes blindées C I R C U L A T I O N Sas PF Sas personnel et MP Sas personnel et MP Sas PF Sas déchets Local technique cyclotron Local Plateau technique Plate-forme déchargement cyclotron Plateau technique

44 Zone «contrôlée» Laboratoires de production Production de radioéléments : 1 ngmp + 2 GMP = 140 m 2

45 Zone «contrôlée» Laboratoires «légers» 1/9 Laboratoires de radiochimie 2 x 45 m 2 Sorbonne Sorbonne évier 0,75 m 1,50 m paillasse déchets, rangements, frigo... Boîte à gants Boîte à gants tableau gaz

46 Zone «contrôlée» Laboratoires «légers» 2/9 Laboratoire de culture cellulaire 16 m 2 tableau gaz évier déchets, rangements, frigo, étuve, centrifugeuse... paillasse 0,75 m 1,50 m Hotte flux laminaire Hotte flux laminaire

47 Zone «contrôlée» Laboratoires «légers» 3/9 Laboratoire de biochimie / manipulations cellulaires 28 m 2 Sorbonne déchets, rangements, frigo, étuve, centrifugeuse... paillasse 0,75 m évier 1,50 m tableau gaz

48 Zone «contrôlée» Laboratoires «légers» 4/9 Laboratoire de radiomarquage 28 m 2 tableau gaz Boîte à gants blindée Boîte à gants blindée déchets, rangements, frigo, étuve, centrifugeuse... évier paillasse 1,50 m 0,75 m

49 Zone «contrôlée» Laboratoires «légers» 5/9 Petit laboratoire 16 m 2 tableau gaz évier déchets, rangements, frigo, étuve, centrifugeuse... paillasse 0,75 m 1,50 m

50 Zone «contrôlée» Laboratoires «légers» 6/9 Métrologie nucléaire 28 m 2 déchets, rangements, frigo, étuve, centrifugeuse... paillasse 0,75 m 1,50 m poste de travail

51 Zone «contrôlée» Laboratoires «légers» 7/9 Analyse chimique 16 m 2 déchets, rangements, frigo, étuve, centrifugeuse... 0,75 m évier paillasse 1,50 m poste de travail Sorbonne tableau gaz

52 Zone «contrôlée» Laboratoires «légers» 8/9 Contrôle qualité 20 m 2 déchets, rangements, frigo, étuve, centrifugeuse... 0,75 m évier paillasse 1,50 m poste de travail tableau gaz

53 Zone «contrôlée» Laboratoires «légers» 9/9 Pesée 5 m 2 Salle noire 5 m 2 Stockage produits chimiques 2 x 15 m 2 Local «logistique» (poste d eau etc.) 15 m 2

54 Zone «contrôlée» Locaux communs Atelier de maintenance «chaud» 15 m 2 Local pièces détachées 20 m 2 Entreposage dispositifs expérimentaux 20 m 2 Déchets solides 20 m 2 + déchets liquides 25 m 2 Emballage conditionnement 15 m 2 Réception / expédition 45 m 2 Radioprotection 15 m 2

55 Extensions extension administrative 280 m places de bureau + salle de TP 10 postes informatiques (radiophysique) + salle de conférence 50 places 2 plateaux techniques 400 m 2

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