Vulgarisation accélérateurs

RADIOPROTECTION CIRKUS
Document technique
Radioprotection Cirkus – 8, rue du Valois, 91940 Les Ulis – www.rpcirkus.org - [email protected]
Association loi 1901 créée le 9 mars 2010 – n° W913002355 – enregistrée à la sous-préfecture de Palaiseau
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Informations-vulgarisation sur les accélérateurs de
particules
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Un accélérateur de particules, comme son nom l’indique, est une machine
permettant de mettre en mouvement des particules chargées. Ce document
décrit les principes de fonctionnement des différents types
d’accélérateurs
les_accélérateurs_de_particules.doc
Informations-vulgarisation sur les accélérateurs de
particules
Billy KERNISANT
1 Qu’est ce qu’un accélérateur de particules ?
1-1 Généralités
Un accélérateur de particules, comme son nom l’indique, est une machine permettant de mettre en
mouvement des particules chargées (électrons, positrons, protons, ions lourds…). Selon le Code de
la Santé Publique, un accélérateur est un appareillage ou une installation dans lesquels des
particules sont soumises à une accélération et émettant des rayonnements ionisants d’énergie
supérieure à 1 MeV. Il n’y a pas d’appellation particulière au dessous de 1 MeV (appareil de
radiographie, …).
Schématiquement, un accélérateur comprend essentiellement trois éléments : une source d’ions ou
d’électrons, un dispositif d’accélération et un espace d’expérimentation où est placée la cible à
irradier.
On peut distinguer trois classes d'accélérateurs :
•
Les accélérateurs électrostatiques appliquent aux particules une tension constante allant de
quelques dizaines de milliers à plusieurs million de volts.
•
Les accélérateurs linéaires utilisent un champ électromagnétique variable qui accélère les
particules en ligne droite.
•
Le principe des accélérateurs circulaires est fondé sur le fait qu'une particule chargée,
placée dans un champ magnétique uniforme, décrit une trajectoire circulaire sur laquelle
elle reçoit, à chaque tour, une impulsion (donnée par un champ électrique).
Les premiers accélérateurs ont permis de déterminer la structure élémentaire de la matière. Au fur
et à mesure du temps et de l’avancée des technologies et découvertes, les énergies ne cessèrent
d’augmenter jusqu’à atteindre le TeV. Ainsi, bien que les faibles énergies ne soient plus utilisées
que pour des opérations de transmutations, le domaine des très hautes énergies est nécessaire pour
visualiser l’état particulaire de la matière.
1-2 Tubes à rayons X et générateurs de rayons X
Le tube à rayons X est un dispositif permettant de produire des rayons X. Quel que soit le type de
tube, la génération des rayons X se fait selon le même principe : une haute tension électrique (de
l'ordre de 20 à 400 kV généralement) est établie entre deux électrodes. Il se produit alors un
courant d'électrons de la cathode vers l'anode (parfois appelée « anticathode » ou « cible »). Les
électrons percutent la cible côté anodique, il se produit alors une émission de rayons X par
rayonnement de freinage (effet Bremsstrahlung). Aussi appelé « générateur de rayons X », le tube à
rayons X émet un rayonnement secondaire d’énergie n’excédant pas la centaine de keV.
Les applications du tube à RX sont nombreuses, la plus courante étant la radiographie médicale. Un
tube cathodique est un tube à RX, le verre stoppant le rayonnement induit de faible énergie.
1-3 Cavité accélératrice
Il s’agit d’une cavité sous vide permettant d’accélérer les électrons jusqu’à l’énergie désirée selon
différents principes physiques. Dans les cas les plus simples, cette cavité est incluse dans le tube à
rayons X, transformant l’ensemble en un accélérateur. Pour des accélérations plus importantes, elle
est connectée à un canon à électrons et fonctionne par champ électrostatique (accélérateur
électrostatique type « Van de Graaf ») ou par champ électromagnétique (accélérateur linéaire type
« LINAC » et circulaire type « cyclotron »). Le détail des différentes technologies permettant
d’accélérer la particule sera précisé par la suite.
2 Sources de particules primaires
2-1 Sources d’électrons
A la base de tout accélérateur il y a une source de particules. Que ce soit des électrons ou des ions,
leur production est nécessaire pour donner un sens à l’accélérateur. Ce sont ces particules qui vont
être accélérées et former le faisceau primaire. Leur rencontre avec une cible peut produire un
faisceau secondaire, ou engendrer une réaction nucléaire.
La figue 1 ci-dessous représente le schéma d’une source d’électrons. Des électrons libres sont émis
par un métal placé dans une enceinte à vide poussé et portée à une température élevé. Une tension
continue est maintenue entre l’anode et un fil métallique constituant la cathode. Cette dernière
portée à incandescence émet des électrons qui sont recueillis par l’anode. A température
constante, l’intensité du courant thermo-ionique augmente avec la tension mais atteint rapidement
sa saturation.
Cette source d’électrons émet des particules de manière continue et régulière. La quantité
d’électrons produite ne va donc dépendre que de l’intensité du courant de la cathode.
Afin de créer des « pulses », il est possible de rajouter une électrode connectée à un potentiel
variable entre l’anode et la cathode. La variation de polarisation dépendant de la tension
alternative du courant appliqué permettra de laisser passer ou non le faisceau d’électron.
Figure 1 : Source d'électrons
Pour produire de grosses quantités d’électrons, des effets de « claquage » peuvent être provoqués.
C’est le cas dans les tubes de Coolidge ou tubes de Crooks. L’ionisation d’une faible quantité de gaz
dans le tube permet la production d’un flux d’électrons. Un système de capacités se charge et
décharge, provoquant des intensités de courant massives. L’inconvénient de ce système est qu’il est
difficile de le transformer en canons à électrons, sous peine de perdre l’étanchéité du tube à vide
sous le coup des décharges. De plus, les électrons sont de suite dirigés vers une cible, provoquant la
création de rayonnements X de faibles énergies.
Aussi, le système le plus récurrent reste le tube à vide et à effet thermo-ionique, le rendement de
production étant largement satisfaisant pour une accélération initiale faible.
Diverses recherches ont permis de mettre en évidence la possibilité de créer des sources d’électrons
de 200 MeV grâce à l’excitation d’un plasma par laser. De quoi augmenter significativement la
portée des sources d’électrons.
2-2 Sources d’ions
Les sources d’ions ont des structures plus complexes que les sources d’électrons. Il faut entendre
par ions toutes particules ayant un excédent ou un défaut de charge électrique. La particule créée
le plus fréquemment est le proton car il est le plus simple à réaliser par ionisation d’hydrogène.
Le mode de fonctionnement de ces sources dépend de la conception de l’accélérateur. Il en existe
plusieurs types :
•
Source à ionisation primaire,
•
Source à arc lumineux,
•
Source à plasma,
•
Source à cathode froide,
•
Source à haute fréquence.
Figure 2 : Source d'ion basé sur le phénomène d'ionisation
Dans le cas d’une source par ionisation primaire, comme pour une source d’électrons, une cathode
est chauffée pour produire des électrons par effet thermo-ionique. Le passage du faisceau
d’électrons à travers un gaz à faible pression provoque des chocs entre les atomes de gaz. Les ions
formés sont repoussés vers la sortie par l’électrode d’extraction et sont ensuite attirés par
l’électrode post-accélération. Le champ magnétique dont la direction est parallèle au faisceau
électronique a pour rôle d’allonger le parcours des électrons dans le tube à décharge en leur
imposant des trajectoires hélicoïdales.
3 Accélérateurs électrostatiques
Ces accélérateurs fonctionnent selon le principe suivant : une haute tension est appliquée entre 2
électrodes produisant ainsi un champ électrique statique. L’énergie cinétique acquise par les
particules est égale, en eV, à la différence de potentiel en V. Il est important de préciser que le
tube à rayons X est le plus simple de ces accélérateurs.
Cependant, afin d’obtenir un rapport encombrement/puissance moindre, ou d’obtenir plus
facilement des très fortes accélérations, les accélérateurs électrostatiques ne furent plus utilisés et
passèrent d’accélérateurs à part entière à composant d’accélérateurs. Les accélérateurs
électrostatiques fournissent des faisceaux continus à des énergies modestes et sont utilisés en
physique des hautes énergies comme premier maillon de chaînes d'accélérations d'ions lourds, dans
des accélérateurs circulaires. En effet, la qualité du faisceau obtenue est bien meilleure, le
rendement est plus conséquent.
Ces accélérateurs présentent peu d’intérêts pour les faisceaux de hautes énergies.
3-1 Générateur Van de Graaf
Cet accélérateur est avant tout un générateur de tensions continues élevées mais de faibles
intensités. Dans ce type d’accélérateurs, les charges sont émises par un générateur de courant
continu sous une tension de quelques dizaines de kV. Elles sont ensuite capturées par une courroie
isolée et emportées jusqu’à l’une des électrodes de l’accélérateurs.
Figure 3 : Schéma de principe d'un générateur "Van de Graaf"
La figure 3 illustre un générateur de charges « Van de Graaf ». La courroie est chargée
électriquement grâce au peigne (7). Ce dernier transmet un courant continu à la courroie isolée de
l’ordre de plusieurs dizaine de kV. Les charges, qui peuvent être négatives ou positives selon la
source, sont transportées par la courroie à une électrode sphérique creuse installée au sommet de
la machine. Les charges sont alors transférées de la courroie à la sphère par un deuxième peigne
(2). Les charges électriques s'accumulent sur la surface extérieure de la sphère. Le potentiel de
cette dernière est limité uniquement par son diamètre, l’effet Corona et par la constante
diélectrique du milieu environnant.
L’effet « accélérateur » se produira si l’on connecte un tube à vide entre le collecteur de charge et
une « masse », ou toutes autres électrodes à potentiel nul. Le type de particules accélérées
dépendra alors de la polarité des charges emmagasinées sur le dôme.
Figure 4 : Schémas de principe d'un accélérateur "Van de Graaf"
Les différences de potentiel de ces accélérateurs les plus modernes est de l’ordre de 20 à 30 MV,
pour un encombrement important. Il est donc important de noter que les accélérateurs utilisant un
générateur Van de Graaf pour produire une forte différence de potentiel ne sont utilisés qu’en
physique nucléaire. En effet, la complexité de la machinerie, les puissances mises en jeu, le
dimensionnement de l’installation sont autant d’éléments limitant pour des applications
industrielles. Cependant, ils continuent d’être utilisés en laboratoire, notamment en tant
qu’accélérateur primaire de faisceau dans des accélérateurs circulaires. La principale raison est que
l’effet de charges accumulatives permet d’obtenir de fortes différences de potentiel avec une
puissance relativement faible, et qu’à l’époque, les accélérateurs linéaires coutaient trop chers
pour être utilisés.
Les paramètres électriques de ces appareils influent directement sur la qualité du faisceau. Il est
cependant possible de dégrader de façon significative la qualité du rayonnement et ainsi provoquer
une perte d’énergie ou au contraire, un surplus de dose si une surtension est créée. Aussi, les
meilleures protections mises en place par les fabricants consistent à installer des fusibles adéquats
de manière à limiter toute surcharge des circuits générant la tension accélératrice.
3-2 Générateur Cockcroft-Walton
Comme le générateur Van de Graaf, il s’agit avant tout d’un générateur de tension, ou plutôt d’un
multiplicateur de tension, avant d’être un accélérateur. Son avantage réside dans le fait qu’il est
capable de produire de fortes tensions (de l’ordre du MV) tout en gardant une intensité élevé
(quelques centaines de mA). Il est extrêmement stable et régulier, contrairement aux générateurs
Van de Graaf, plus susceptibles aux sautes d’énergie. Des capacités sont chargées en parallèle avec
un potentiel commun et se déchargent en série. Ainsi, une tension d’entrée de quelques dizaines de
kV en courant alternatif se retrouvera en sortie en courant continue avec une tension de plusieurs
MV. La différence de potentiel ainsi atteinte, l’accélération des particules ne tient plus qu’à
l’installation d’un tube à vide.
Cette technologie est en train de connaitre un nouvel essor, notamment par l’industrialisation
d’accélérateurs de particules de laboratoires pour la physique nucléaires.
Figure 5 : à gauche, schéma de principe d'un générateur HT Cockcroft-Walton, à droite, photo d'une
installation industrielle
La puissance de ces générateurs leur permet d’être de plus en plus utilisés en tant qu’accélérateur
primaire pour l’injection de particules dans des cyclotrons ou synchrotrons. De plus, la conception
de ce circuit fait qu’il se limite de lui-même. Une surtension n’entrainerait que la perte de
composant et la dégradation de la puissance du faisceau, n’entrainant pas de risques majeurs pour
la radioprotection.
3-3 Accélérateurs pulsés
Bien que ressemblant aux accélérateurs linéaires, dont le principe de fonctionnement est aussi un
mode pulsé, ces accélérateurs fonctionnent grâce à un générateur d’impulsions haute tension
couplé à une source d’émission d ‘électrons (diode). Le principe de ces appareils remonte aux
années 1930 ; les évolutions technologiques visent à en réduire les dimensions. Des applications
tournant autours de ces appareils sont à connotations militaires et rendent sensible cette
technologie.
Le principe est le suivant : on applique une haute tension pulsée entre deux électrodes sous vide
(une anode et une cathode) le champ électrique ainsi créé arrache des électrons à la cathode et les
accélère en direction de l’anode. Selon la nature de l’anode soit les électrons la traverse (cas du
générateur d’électrons pulsés – cathode mince en titane par exemple), soit les électrons sont
arrêtés (cas du générateur de photons X pulsés – anode en tantale par exemple).
Il existe principalement trois types de générateurs d’impulsions : transformateur, Marx (nom de
l’inventeur), LTD (linear transformer driver). Ces générateurs sont tous des multiplicateurs de
tension.
L’intérêt de ce type d’accélérateur réside dans le fait qu’en un seul tir de seulement quelques
dizaines de ns, il est possible de délivrer pour les très grosses machines une dose de rayonnement
de plusieurs Gy.
L’intensité du rayonnement est principalement limitée par le volume et la forme de l’anode sachant
que l’on cherche à obtenir une source d’émission la plus ponctuelle possible afin de minimiser les
aberrations géométriques dans les applications de type radiographique où l’on observe couramment
des phénomènes ayant des vitesses de plusieurs km/s.
Rappelons qu’en termes de puissance électrique celle-ci peut être très élevée du fait de la courte
durée de l’impulsion électrique. Ainsi par exemple un générateur X pulsé libérant une énergie de
100j en 10 ns a une puissance de 10^4 MW et produira un rayonnement de quelques dizaines de µSv.
Pour un générateur
fonctionnant en monocoup l’énergie (100 j) peut être fournie en plusieurs
dizaines de seconde ; c’est pour cette raison que l’on parle pour ce type de générateur de dispositif
à compression d’énergie.
La très forte puissance déployée est obtenue grâce à un phénomène appelé « compression
temporelle ». Pour une énergie d’1 Joule, il est possible d’obtenir 1 W en 1 s, 1kW en 1ms, et ainsi
de suite.
Ces machines sont réglées de manière à fonctionner de manières optimales. L’accélération et la
quantité de rayonnement produite est limitée par des facteurs physiques comme la tension de
charge. Une surtension n’entrainerait pas une augmentation de l’énergie du faisceau mais la
destruction du générateur. Les sécurités électriques mises en place sont principalement liées à la
protection de l’appareil. Aussi, la puissance du générateur est mesurée avant la dose émise.
Générateurs de Marx
Une alimentation HT continue charge en un temps donné un ensemble de condensateurs disposés en
parallèle. Ces condensateurs sont ensuite déchargés en série au moyen de commutateurs qui sont
des éclateurs dans la plupart des cas. Ce circuit permet de créer des tensions instantanées de
plusieurs centaines de kV à plusieurs MV. Le temps de charge du réseau de condensateurs dépend
principalement de l’énergie pouvant être fournie par l’alimentation HT. Il conditionne en grande
partie la cadence de tir. Actuellement, les temps de charges les plus véloces sont de l’ordre de la
dizaine de milliseconde. Une fréquence de tir de l’ordre du kHz entraînerait une consommation
électrique très importante et nécessite une technologie particulière d’éclateur. A titre d’exemple
une énergie de 10 kJ/s est du domaine du possible ; 100 kj/s l’est beaucoup moins et
particulièrement onéreux. L’isolement fait appel à de l’huile diélectrique ou des gaz sous-pression
(air SF6).
Figure 6 : circuit avant commutation des éclateurs
Figure 7 : circuit après commutation des éclateurs
Générateurs LTD
Les générateurs LTD sont basés sur un principe de transformateur à ligne de transmission ou
l’isolement est obtenu en régime transitoire par des matériaux magnétiques au lieu d’isolants
liquides ou gazeux.
Cette technologie autorise des systèmes plus compactes et surtout modulaires facilitant certaines
interventions. En termes de réalisation elle est mécaniquement complexe et onéreuse.
Cependant, les générateurs LTD utilisent le principe de « l’attaque directe » sans mise en forme de
l’impulsion. On obtient ainsi un système bien plus compact et modulaire, limitant également le
besoin en servitudes (eau, huile). Ce système est mis en évidence aussi dans certains circuits de
Marx, mais de manière moins systématique.
Etage LTD
avant commutation
Eclateur multicanal
Noyaux
Magnétiques
Limitant le
courant de
fuite
+ 100 kV
- 100 kV
Interface
Vide
Vide
Figure 8 : Etage LTD avant commutation
Figure 9 : Circuit LTD après commutation
Diode
Le processus d’émission d’électrons des cathodes froide par effet de champ est le suivant :
l’impulsion de tension venant du circuit de Marx est appliqué à une cathode et provoque une
émission d’électrons par effet de champ. Le flux d’électrons ainsi obtenu est accéléré dans l’espace
anode cathode en direction de l’anode du fait de la tension appliquée. L’anode est constituée d’un
matériau perméable aux électrons tel que le titane ou au contraire faisant obstacle comme le
tantale. Le faisceau d’électrons quel que soit l’anode produira un rayonnement X par effet
Bremsstrahlung. L’intensité du rayonnement sera fonction de l’épaisseur de l’anode et de son
numéro atomique.
L’interaction des électrons avec l’anode engendre un « nuage métallique » qui vient court-circuiter
l’espace anode cathode bien après l’émission des photons X (quelques µs).
4 Accélérateurs linéaires
Les accélérateurs linéaires sont de conception bien différente des accélérateurs électrostatiques.
Le principe de production des particules primaires est le même, mais la cavité accélératrice change
radicalement. Ce n’est plus une différence de potentiel qui accélère la particule mais une onde
électromagnétique.
Leur principal intérêt est la quantité d’énergie linéaire (en MeV/m) pouvant être communiqué à la
particule primaire. Ces accélérateurs peuvent avoir une section accélératrice très courte et
communiquer une énergie importante à la particule. Cependant, l’énergie nécessaire est tout aussi
importante. Les réglages machines doivent être très fins et un refroidissement important de la
cavité accélératrice, du magnétron/klystron et de la tête de l’accélérateur doit être mis en œuvre.
Les accélérateurs linéaires les plus importants fonctionnent sous une puissance continue de
plusieurs MW pour un faisceau de sortie de l’ordre du GeV. Des installations électriques dédiées sont
nécessaires pour faire fonctionner ces appareils.
Figure 10 : schéma de principe d'un accélérateur linéaire d'électrons
La figure 5 représente le schéma de principe d’un accélérateur linéaire d’électrons. Le principe est
sensiblement le même si l’on change la source de particule initiale (générateur d’ions à la place du
canon à électrons).
Un injecteur envoie dans un pulseur, ou modulateur pulsé, une haute tension alternative triphasée.
Dans ce dernier, un circuit de pont de diode ainsi qu’un thyratron permet d’obtenir une tension
alternative de haute puissance. Cette tension sert à alimenter le canon à électrons ou la source
d’ions, mais aussi à alimenter le klystron.
Ce dernier est une cavité résonnante fonctionnant comme un oscillateur-amplificateur Il est
alimenté par un tube haute fréquence de forte puissance et d’un champ électrique intense. Une
onde électromagnétique de faible puissance entre dans une première cavité et régule un faisceau
d’électrons (principe des polarités). Les groupements d’électrons ainsi créés vont initier une onde
électromagnétique de fortes puissances sortant par une deuxième cavité. Cette OEM va traverser un
guide d’onde jusqu’à la section accélératrice. Les ions ou électrons injectés dans cette ligne vont
alors être émis par pulse, cadencé sur la fréquence de l’OEM. On dit alors que les particules sont
accélérées en suivant le train d’onde auquel elles sont soumises.
Ce type d’accélérateur permet de fournir aux particules un champ électrique accélérateur de 10 à
20 MV/m. La taille des installations est donc considérablement réduite et l’usage en tant que
générateur de rayons X devient prépondérant.
De même que les accélérateurs précédents, l’appareil est conçu de façon à fonctionner de manière
optimale. Une surtension détériorerait la machine, mais n’augmenterait pas la puissance du
faisceau.
5 Accélérateurs circulaires
Les accélérateurs circulaires permettent d’accélérer des particules sur des énergies beaucoup plus
importantes que les accélérateurs électrostatiques ou linéaires. En effet, l’accélération dans ces
deux derniers est rectiligne, et donc dépendante de la longueur de la cavité accélératrice ou de la
haute tension appliquée aux électrodes. Par contre, dans un accélérateur circulaire, la cavité
accélératrice peut quasiment être considéré comme infinie. La particule suit une trajectoire
circulaire et subit une accélération à chaque « boucle » de son parcours.
Il existe plusieurs évolutions technologiques issues du principe de l’accélération circulaire.
Cependant, on peut les classer en deux types : les cyclotrons et les synchrotrons. Chacune trouve
son application industrielle et son domaine d’énergie. Les cyclotrons, permettent des accélérations
jusqu’à quelques centaines de MeV et offrent une utilisation dans le domaine médical comme
industriel. Les synchrotrons sont plus spécifiques au domaine de la recherche et liés aux très
grandes énergies.
Une particularité de ces appareils est leur blindage. La particule accélérée constamment dévié
émet un rayonnement synchrotron nécessitant une protection adéquate autours du champ de
rotation de la particule. En cas de perte de l’alimentation électrique de l’appareil, les électroaimants ne seront plus en mesure de contenir la particule dans un espace confiné ; Néanmoins, la
sortie de la particule de sa trajectoire n’entrainera pas de conséquences radiologiques comptes
tenus du blindage et de la faible intensité du faisceau.
5-1 Cyclotron, synchrocyclotron
Dans ce type d’accélérateur circulaire, les particules placées dans un champ magnétique suivent
une trajectoire en forme de spirale et sont accélérées par un champ électrique alternatif à des
énergies pouvant aller jusqu’à la centaine de MeV.
Le cyclotron est un accélérateur circulaire à champ magnétique uniforme pouvant accélérer des
protons et des ions lourds. Il est constitué des éléments suivants :
•
Deux électrodes creuses en forme de D et appelées « Dees »
•
Un générateur haute fréquence relié aux deux électrodes
•
Une source d’ions placés au centre
•
Un électro-aimant permettant de créer des champs électrique intense
•
Un canal d’extraction à l’extrémité duquel se trouve la cible.
Figure 11 : Schémas de principe de cyclotron
Entre les deux électrodes est appliqué un champ électrique oscillant toujours accélérateur pour le
faisceau de particules qui le traverse. Un vide poussé règne dans les électrodes et l’ensemble est
placé dans un champ magnétique perpendiculaire au plan de l’électroaimant
A chaque passage dans le champ électrique, les particules sont accélérées, augmentant le rayon de
courbure de leur trajectoire. Au final, ce dernier prend l’allure d’une spirale, jusqu’à arriver au
bord de l’accélérateur, pénétrer dans un canal extracteur et bombarder une cible.
Aujourd’hui, les cyclotrons ne sont plus utilisés pour la recherche de particules élémentaires, mais
restent utiles pour des applications pratiques comme le diagnostic médical, le traitement des
cancers (protonthérapie) ou la création de radio-isotopes.
Le synchrocyclotron fonctionne selon le même principe, mais ne dispose que d’un seul dee. Le
champ électrique des électro-aimants diminue progressivement en fonction du gain de masse
relativiste des particules accélérées. Les énergies obtenues peuvent ainsi se compter en centaines
de Mev, contrairement au cyclotron ne pouvant atteindre que les dizaines de MeV.
5-2 Synchrotron
Dans ce type de machine, le champ magnétique est modulé au cours de l’accélération.
Contrairement au cyclotron, le champ magnétique n’est pas appliqué sur toute la surface circulaire
mais uniquement sur la circonférence. Pour obtenir une trajectoire circulaire et un flux de
particules constant, un champ magnétique doit être généré par des électro-aimants tout le long de
la trajectoire du faisceau.
Figure 12 : Principe du synchrotron
Les particules accélérées dans un synchrotron sont injectées dans l’anneau après une préaccélération. Elles sont maintenues sur une trajectoire circulaire par le champ magnétique puis
accélérées à chaque passage successif dans l’électrode accélératrice. Lorsque les particules
atteignent l’énergie souhaitée, elles sont injectées dans l’anneau de stockage, puis extraites ou
servent à la production de faisceaux secondaires.
Une subtilité du synchrotron est la faculté de produire un rayonnement secondaire particulier. En
effet, soit la particule est éjectée et peut-être inséré dans un collisionneur, synchrotron voué à la
collision de particules, ou être utilisés pour la production de faisceau lumineux dans l’anneau de
stockage. A chaque courbure par les électroaimants, un rayonnement synchrotron aux propriétés
particulières et définies sont émises. Ce rayonnement provient du ralentissement de la particule
lors de sa déviation dans l’espace selon les lois relativiste. Le faisceau de photon ainsi émis, bien
que peu énergétique (de quelques eV à plusieurs centaines de keV, est extrêmement intense et
pénétrant, permettant de mettre en place une imagerie de la matière très poussée.
6 Limites d’expositions liées à la maitrise des risques
En fonction du type d’accélérateurs, il ne sera pas accordé la même importance aux différentes
fonctions de sécurités d’accès. Une gradation de ces fonctions est à envisager selon la nature et la
puissance du rayonnement accéléré.
6-1 Définition des fonctions de sécurités d’accès
Le paragraphe 9 de la norme NF M 62-105 permet de dégager trois fonctions principales sur les
sécurités des accès :
Pas de risques d’enfermement de personnes dans la casemate.
Avant toute mise en marche de l’appareil, il est nécessaire d’effectuer une ronde dans le local de
tir afin de s’assurer de l’absence de personnel dans la zone. Cette ronde est constituée de
contacteurs à valider (clef, bouton-poussoir, …). Ces derniers sont disposés de telles sortes à ce
qu’il ne soit pas possible aux rondiers de ne pas se rendre compte de la présence de personnel. Ces
contacteurs sont redondants et disposés en série. Ils sont reliés au pupitre de commande de
l’accélérateur. Il est nécessaire que tous les contacteurs soient validés avant le déverrouillage de la
sécurité sur le pupitre de commande.
Pas de possibilité de tir sans verrouillage des accès.
Chaque accès à la casemate de tir doit être condamnés avant toute accélération de particules, ceci
afin d’empêcher toute intrusion. Pour cela, des contacteurs de portes permettent d’envoyer un
signal au pupitre de contrôle sur l’état de l’accès à la casemate.
Si intrusion dans le local de tir, le faisceau est coupé.
Les mêmes contacteurs de portes peuvent être utilisés pour détecter toute entrée dans le local : la
détection de l’ouverture de porte enclenche la sécurité et coupe le faisceau. Cependant, des relais
infrarouges ou laser peuvent aussi signaler le passage d’un intervenant dans une zone de tir. Ces
sécurités peuvent assurer une redondance des sécurités.
La gestion de ces sécurités et la manière d’étudier les dispositifs les assurant est décrites dans
l’annexe du guide d’analyse « contrôle commande ».
6-2 Gradation des surveillances selon l’accélérateur
Cela implique une notion de « risque acceptable ». La priorité ne doit pas être accordée sur les
mêmes points selon la nature et la puissance de l’accélérateur. En effet, la dose délivrée pendant
une durée définie n’est pas la même si l’on utilise un accélérateur pulsé ou un accélérateur
linéaire.
Cependant, chaque type d’accélérateur correspondant à un usage définie, les différences de
puissances entre appareil ne permettent pas une classification avec pour seul critère la technologie
utilisée.
7 Réaction nucléaire attendue, rayonnement de freinage et photoactivation
En fonction de l’énergie de la particule incidente, différentes réactions vont avoir lieu. Le seuil
général de ces réactions est de 10 MeV. Au dessous de ce seuil, des réactions sont possibles selon les
cibles. Cependant, la probabilité de leur occurrence est très faible, exempté certains éléments
comme l’uranium par exemple.
Figure 13 : Schématisation des réactions possibles lors de réactions (e, X)
7-1 Rayonnement de freinage
Le faisceau d’électrons accélérés est envoyé sur une cible lourde. Cette dernière est composée
généralement de tungstène, d’or ou de cuivre, ou tous autres matériaux selon les besoins en
faisceaux secondaires.
Les électrons constituant le rayonnement primaire des accélérateurs ont des énergies inférieures à
11 MeV dans la plupart des cas. Ils n’induisent directement aucune activation des matériaux
exposés, mais ce phénomène peut intervenir au delà d’une certaine énergie et selon la nature des
matériaux exposé sous l’effet des rayonnements secondaires.
Le rayonnement secondaire dominant est le rayonnement de freinage. Il devient particulièrement
intense au dessus d’une énergie dite critique dont la valeur peut être approchée selon l’expression
E(MeV)=800/(Z+1,2).
Quand un électron passe à proximité d’un noyau, il est dévié de sa trajectoire initiale par la force
d’attraction coulombienne due aux protons du noyau chargé positivement. L’électron ainsi soumis à
une décélération va perdre de l’énergie cinétique sous forme d’un rayonnement X.
Figure 14 : Schéma illustrant l'origine du rayonnement de freinage
L’énergie du faisceau gamma sortant de l’accélérateur varie selon :
•
L’épaisseur de la cible (Plus la cible est épaisse, plus le spectre des photons secondaires est
dur)
•
L’énergie des électrons incidents
•
L’angle de regard avec l’ace du faisceau d’électrons
L’énergie du faisceau secondaire n’excédera jamais l’énergie cédée par le faisceau primaire. Il est
juste de considérer que l’intensité maximale du faisceau se situe environ aux tiers de l’énergie
maximale du faisceau.
Figure 15 : Illustration du spectre des RX émis
Les protections à mettre en œuvre en sortie de faisceau et autours de la tête de l’accélérateur sont
de même nature que pour la protection d’une source radioactive. L’énergie du faisceau est
cependant à prendre en compte dans le dimensionnement des protections biologiques. Les spectres
sont différents selon l’énergie du faisceau et la géométrie de la cible. Il est possible lors d’une
approche grossière d’utiliser les abaques existants afin de déterminer les dimensions des
protections biologiques à mettre en œuvre. Cependant, afin de minimiser les erreurs et vérifier au
mieux les dispositifs de radioprotection mis en place, il est plus pertinent d’utiliser un des codes de
calcul décrut dans l’annexe « calcul de dimensionnement ».
7-2 Activation des matériaux par flux photonique
Lorsque l’énergie du rayonnement primaire (faisceaux d’électrons) atteint un certain seuil, les
photons X secondaires acquièrent une énergie suffisante pour provoquer des réactions d’ordre photo
nucléaires au sein des matériaux exposées (cibles). Dans certains cas particuliers, des photofissions
peuvent aussi se produire (cas de cible d’uranium ou d’actinides, ou de cible de Lithium, Béryllium,
tritium, …). Ces réactions nucléaires peuvent conduire à la production de radionucléides artificiels.
L’activation des matériaux se fait selon trois phénomènes, seul un rentre dans la gamme des
appareils étudiés, les autres œuvrant dans la physique des particules à hautes énergies.
Ce phénomène est appelé « résonnance géante », soit l’activation par absorption de photon.
Un noyau absorbe un photon et entre en résonnance. Sa désexcitation se fait par l’évaporation d’un
neutron accompagné de rayonnement gamma de très faible énergie.
Bien qu’il ne faille que quelques keV pour déclencher une réaction de fission sur de l’uranium, ou
générer une réaction proton neutron sur de l’hydrogène, il faudra des énergies de plusieurs Mev
pour activer du carbone ou de l’oxygène. Les photons dégagés lors de la désexcitation du noyau ont
une énergie maximale de 8 Mev pour les noyaux légers, moins si les noyaux sont lourds, une partie
de l’énergie s’échappant dans le flux neutronique induit.
Ce phénomène est appelé « résonnance géante » et se produit principalement entre 13 et 18 MeV
pour des matériaux avec A > 40. La section efficace de cette réaction est d’environ 0.1 barn.
Ce risque est négligeable pour les expositions de courtes durées. De plus, le flux de neutrons émis
n’est significatif que pour des énergies supérieures à 30 Mev dans le cas d’une cible lourde
(réactions (γ, n)), et au delà de 50 MeV pour un accélérateur d’électrons sans cible (réactions (e,
n)).
Figure 16 : Tableau de seuils des réactions nucléaires
On peut donc considérer que pour la plupart des accélérateurs industriels, il n’y a pas de risques de
production de neutrons, l’énergie des électrons incidents n’excédant pas 11 MeV. De plus,
l’activation des matériaux ne peut être considéré comme significative qu’une fois la fluence
neutronique dépassant 105 n.cm-2.s-1. Le risque d’activation est donc faible. On peut considérer la
tête de l’accélérateur comme active, mais l’installation ne souffre pas d’une quelconque émission
de rayonnements.
Une modélisation MCNP est conseillée en cas d’environnement complexe ou avec des énergies de
flux supérieur à 50 MeV.
Au dessous de 11 MeV, on peut considérer que la fluence neutronique est trop faible pour présenter
un risque d’activation de la matière constituant l’installation. La tête de l’accélérateur est activée
et constitue un risque radiologique certain. Une production de proton est avérée mais n’entraine
pas de risques lors de l’arrêt du tir.
Il n’existe pas de formules empiriques permettant de déterminer l’énergie des neutrons émis par
photo réactions. Par contre, on peut assimiler ces photo-réactions à un spectre de fission, à
déterminer, pour l’élément constituant la cible de l’accélérateur.
Le tableau suivant montre pour quelques éléments le seuil d’énergie nécessaire pour provoquer une
réaction photo-nucléaire. Les chiffres peuvent varier selon les sources mais restent dans le même
ordre de grandeur.
9
16
54
208
(γ, n)
1.67
15.66
13.38
(γ, 2n)
20.56
28.89
24.06
Be
(γ, p)
O
Fe
235
238
7.37
5.3
6.15
14.11
12.14
11.28
Pb
U
U
16.89
12.13
8.85
8.01
6.71
7.62
Figure 17 : tableau de seuil de réactions photo-nucléaires et réactions associées
On peut constater que les seuils d’énergies de production de neutron ou de proton sont similaires
pour les cibles lourdes.
Figure 18 : fluence neutronique en fonction de la cible et de l'énergie des électrons incidents
La figure 18 illustre deux choses : les seuils d’énergie nécessaires pour obtenir une réaction photonucléaire et la saturation existante au delà d’un certain seuil, entrainant une fluence constante,
peut importe l’énergie de la particule incidente.
8 Liens supplémentaires utiles à la compréhension
Littératures
NCRP 144 « Radiation protection for particle accelerator facilities»
NCRP 151 « Structural shielding design and evaluation for megavoltage X- and gamma-ray
radiotherapy facilities”
« Personne compétente en radioprotection – Principes de radioprotection, réglementation » EDP
Sciences
Echanges avec les industriels
EuroMev
EuroPulse
Liens web
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