Qu’est-ce qu’un cyclotron ?
Un cyclotron est un accélérateur de particules chargées (tels que les électrons sont chargés négativement et les protons et ions sont chargés positivement), qui fait tourbillonner les particules chargées de manière répétée pour augmenter leur vitesse.
Le cyclotron a une structure en forme de disque constitué de deux sections droites d’électrodes en forme de D (électrodes Dee) collées l’une à l’autre. Il accélère les particules en appliquant une différence de potentiel qui passe à grande vitesse dans l’espace entre les électrodes Dee.
Utilisations des cyclotrons
Les cyclotrons sont utilisés dans divers domaines pour exploiter les effets du bombardement d’une cible par des particules chargées accélérées (par exemple, production d’isotopes naturels ou modification de semi-conducteurs). Un exemple est la production de composés radiomarqués à courte durée de vie pour la TEP (tomographie par émission de positrons).
Les composés radiomarqués utilisés pour la TEP ont une courte durée de vie et doivent être produits dans des cyclotrons pour pouvoir être utilisés. Récemment, les établissements médicaux sont de plus en plus souvent équipés de petits cyclotrons pour la TEP.
Une autre application est l’amélioration des performances des semi-conducteurs par irradiation. Les semi-conducteurs peuvent être modifiés en les irradiant avec des particules chargées afin d’améliorer leurs propriétés électriques.
D’autres applications comprennent la production de radio-isotopes pour la tomographie par émission monophotonique (SPECT), les radio-isotopes de recherche, les produits radiopharmaceutiques et la recherche en physique nucléaire.
Principe des cyclotrons
Les cyclotrons utilisent la force exercée sur les particules chargées lorsqu’elles traversent un champ magnétique (force de Lorentz). L’épine dorsale d’un cyclotron est une section en forme de disque constituée de deux électrodes Dee en forme de lettre D. L’image d’une forme circulaire est formée en collant les barres verticales du D et du revers du D l’une à l’autre.
L’électrode Dee est placée dans un champ magnétique créé par un électro-aimant. Cela permet d’utiliser la force de Lorentz pour déplacer les ions. Lorsqu’une particule chargée est introduite dans le champ magnétique du cyclotrons, la force de Lorentz fait que la particule se courbe et se déplace sur une orbite circulaire. À ce stade, elles décrivent une orbite circulaire qui suit la forme d’un disque formé par deux électrodes Dee.
Après avoir parcouru la moitié de la circonférence du disque, la particule atteint une autre électrode de Dee, ce qui crée une différence de potentiel entre les électrodes et accélère la particule. Lorsque les particules ont terminé leur demi-circonférence et reviennent vers l’électrode d’origine, la différence de potentiel peut être inversée pour les accélérer à nouveau. Ce processus est répété pour accélérer les particules chargées.
À mesure que la vitesse de la particule chargée augmente, le rayon de giration s’accroît, ce qui permet d’extraire la particule de la périphérie du disque.
Autres informations sur les cyclotrons
1. Limites d’accélération
Lorsque la vitesse de la particule chargée se rapproche de la vitesse de la lumière, sa masse augmente en raison des effets de la relativité, ce qui la rend plus difficile à plier. Le rayon est donc plus grand qu’initialement calculé, et l’accélération ne peut pas être obtenue comme prévu. Il existe donc des limites à l’accélération à l’aide d’un cyclotron.
En plus des cyclotrons, les synchrotrons ont donc été conçus : les cyclotrons synchro sont des cyclotrons qui permettent d’accélérer les particules jusqu’à des vitesses plus élevées en ralentissant la commutation du champ électrique en fonction de la vitesse des ions.
Les synchrotrons, en revanche, sont construits sur un concept différent de celui des cyclotrons. Contrairement aux cyclotrons, qui augmentent progressivement le rayon de leur orbite, les synchrotrons accélèrent en modifiant l’intensité du champ magnétique et la période de commutation du champ électrique, tout en passant toujours par une orbite circulaire constante.
2. Avantages des cyclotrons
Bien que les cyclotrons aient des limites en matière d’accélération, un avantage que les synchrotrons n’ont pas est la capacité d’accélérer continuellement des particules, en les déversant l’une après l’autre.
Ils peuvent également produire des faisceaux de particules de haute intensité. Ces caractéristiques conviennent à la production d’isotopes et à la modification des semi-conducteurs, où elles sont utilisées avec succès dans des applications.