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Destin d’objets scientifiques et techniques : le Cyclotron ou la sarabande des particules (4/10 - annĂ©e 2018)


Par GĂ©rard Chouteau (Aconit), en collaboration avec Cyrielle Ruffo, volontaire en service civique

Figure d’en-tĂŞte : système gĂ©nĂ©ral de l’installation : le cyclotron est Ă  droite, le post-accĂ©lĂ©rateur est Ă  gauche

Depuis le dĂ©but du XXe siècle, la Physique des Particules n’a cessĂ© de s’Ă©toffer et de produire de nouvelles inventions repoussant les limites du progrès. Les nouvelles machines avaient pour objectif d’explorer la structure intime des atomes et comprendre les interactions qui relient leurs composants. C’est dans ce contexte que fut crĂ©Ă© un accĂ©lĂ©rateur de particules, le Cyclotron, quatrième sujet de notre sĂ©rie concernant les appareils remarquables du patrimoine scientifique et technique grenoblois, pris au sens large.

Le Cyclotron de Grenoble

A l’invitation de Louis NĂ©el, Michel Soutif vint Ă  Grenoble Ă  l’UniversitĂ© Joseph Fourier et fut nommĂ© professeur en 1952. Il encouragea la crĂ©ation de l’Institut des Sciences NuclĂ©aires (ISN), devenu en 2003 le Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie (LPSC) de Grenoble, au sein duquel fut construit le premier Cyclotron de Grenoble.

Conçu par la sociĂ©tĂ© CSF (Compagnie GĂ©nĂ©rale de tĂ©lĂ©graphie Sans Fil), ce cyclotron fut livrĂ© en 1968. Il comportait, Ă  l’Ă©poque, d’importantes innovations technologiques, notamment l’injection des particules sur l’axe, invention purement grenobloise adoptĂ©e par la suite dans de nombreux cyclotrons Ă  l’Ă©chelle mondiale, ainsi que l’invention rĂ©volutionnaire des sources d’ions performantes ECRIS (Electron Cyclotron Resonance Ion Source) par Richard Geller. Ces sources, adoptĂ©es aujourd’hui par tous les grands accĂ©lĂ©rateurs internationaux, ont Ă©tĂ© Ă  l’origine d’une nouvelle physique nuclĂ©aire, celle des ions lourds, qui fut un des axes majeurs de la recherche Ă  l’ISN. Dès sa construction, le cyclotron n’a cessĂ© d’ĂŞtre amĂ©liorĂ© et adaptĂ© Ă  diffĂ©rents usages. Il a notamment servi Ă  la synthèse de très nombreux isotopes radioactifs artificiels, aujourd’hui très utilisĂ©s en mĂ©decine, en grande partie dans le traitement local des tumeurs cancĂ©reuses.

Bien que le cyclotron soit une invention amĂ©ricaine (conçu en 1931 Ă  Berkeley et mis en service en 1932 par deux physiciens, Stanley Livingston et Ernest Lawrence), les ingĂ©nieurs français ont apportĂ© des contributions essentielles Ă  l’amĂ©lioration de ces accĂ©lĂ©rateurs de particules.

Le Cyclotron et son fonctionnement

Le fonctionnement du Cyclotron repose sur une idĂ©e simple : fournir aux particules qui servent de projectiles une Ă©nergie suffisante (Ă©nergie cinĂ©tique), dans le but de briser la cible (l’atome), pour ensuite procĂ©der Ă  l’examen des dĂ©bris Ă  l’aide de dĂ©tecteurs appropriĂ©s.

Dans une structure de forme circulaire composĂ©e d’Ă©lectrodes et d’aimants, les particules suivent une trajectoire contrainte, en Ă©tant accĂ©lĂ©rĂ©es par un champ Ă©lectrique et confinĂ©es par un champ magnĂ©tique. Elle doivent donc porter une charge Ă©lectrique, car les particules neutres comme les neutrons sont insensibles Ă  ces deux champs. Plusieurs types de particules peuvent ĂŞtre utilisĂ©es dans le processus : des protons (positifs) ou des ions (positifs ou nĂ©gatifs). Il est Ă©galement possible d’accĂ©lĂ©rer des antiparticules (antiprotons, positrons).

Le déclin

MĂŞme si le Cyclotron de Grenoble a connu un succès scientifique rĂ©el, il n’a pas rĂ©ussi Ă  Ă©galer les performances des grands accĂ©lĂ©rateurs internationaux. Les ingĂ©nieurs ont donc entrepris, Ă  la fin des annĂ©es 1970, une opĂ©ration de « rajeunissement et d’amĂ©lioration » de la machine, qui s’est rĂ©vĂ©lĂ©e indispensable pour Ă©viter sa fermeture. Cependant, les autoritĂ©s scientifiques et gouvernementales se montrèrent peu enclines Ă  engager d’importants crĂ©dits pour cette opĂ©ration de renouvellement, d’autant que le choix de la direction de l’IN2P3 (Institut National de Physique NuclĂ©aire et Physique des Particules), dont l’ISN dĂ©pendait, se portait vers la construction du Grand AccĂ©lĂ©rateur National d’Ions Lourds (GANIL), Ă  Caen.

NĂ©anmoins, de nombreuses personnes se sont activement mobilisĂ©es pour assurer la survie du cyclotron : les personnels de l’ISN qui, du technicien au chercheur, avec le soutien actif du directeur, Ă©laborèrent un plan, dans l’objectif de lui donner une vie nouvelle. Ainsi fut lancĂ©e l’opĂ©ration SARA*, dont l’idĂ©e Ă©tait simple : injecter les particules accĂ©lĂ©rĂ©es par le cyclotron dans un second accĂ©lĂ©rateur, ou post-accĂ©lĂ©rateur situĂ© en aval, après avoir augmentĂ© leur Ă©tat de charge par « stripping » (ou passage dans une feuille mince). Ce processus permettait d’obtenir un gain considĂ©rable en Ă©nergie, ainsi que d’utiliser des particules encore plus lourdes.

Le projet dĂ©veloppĂ© en collaboration avec l’Institut de Physique NuclĂ©aire de Lyon sortit donc du cadre strictement grenoblois pour devenir rĂ©gional. C’est grâce Ă  cette nouvelle portĂ©e qu’il put recevoir un financement de la RĂ©gion RhĂ´ne-Alpes. L’opĂ©ration SARA fut donc inaugurĂ©e en 1982.

L’aventure se poursuivit pendant plus de dix ans, ponctuĂ©e de rĂ©sultats scientifiques de niveau international. L’ISN devint une rĂ©fĂ©rence en matière d’utilisation des cyclotrons pour la mĂ©decine. L’opĂ©ration SARA a gĂ©nĂ©rĂ© plus de 20 cyclotrons pour la mĂ©decine nuclĂ©aire en France, plus de 200 en Europe, et plus de 1200 dans le monde. Elle a ainsi laissĂ© son empreinte dans le monde de la recherche mĂ©dicale.

Mais la concurrence avec les grands accĂ©lĂ©rateurs Ă©tait trop inĂ©gale et entraĂ®na la fermeture du post-accĂ©lĂ©rateur en 1990, suivie de celle du cyclotron en 1998. Actuellement, les chercheurs du LPSC ont rĂ©orientĂ© leur activitĂ© vers la cosmologie, et nombre d’entre eux travaillent dĂ©sormais auprès du Grand Collisionneur de Hadrons (Large Hadron Collider) de Genève.

Toute l’Ă©popĂ©e du Cyclotron nous montre une belle histoire, qui s’inscrit dans la tradition grenobloise. Les prolongements de cette invention ont marquĂ© le domaine de la physique, par la crĂ©ation des synchrotrons, gĂ©nĂ©ration d’accĂ©lĂ©rateurs de particules plus modernes et plus performants.

* Les informations relatives au projet SARA sont extraites du rapport interne « Avant-Projet du LPSC pour une utilisation des cyclotrons SARA Ă  usage pĂ©dagogique, Bernard Sylvestre-Brac ».

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Première publication :
Mise en ligne le vendredi 26 octobre 2018

Article écrit par :
Cyrielle Ruffo



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