Glossaire
rayonnement ionisant : faisceau d’ondes ou de particules suffisamment énergétique pour ioniser une matière en arrachant des électrons à ses atomes
activité : caractérise l’intensité d’émission d’une source radioactive. Elle a pour unité officielle le becquerel, noté Bq, mais on utilise encore le curie, noté Ci. 1 Bq correspond à une désintégration par seconde, c’est-à-dire à l’émission d’un photon ou d’une particule chaque seconde. Cette grandeur ne quantifie ni l’énergie du rayonnement émis ni l’ampleur de ses effets.
dose équivalente : quantifie le pouvoir ionisant d’une dose. Sa valeur est le produit de la dose par un facteur Q qui ne dépend que de la nature du rayonnement. Q vaut 1 pour les photons et les électrons, de 5 à 20 pour les neutrons (cela dépend de leur vitesse), 5 pour les protons et 20 pour les noyaux, qui incluent les particules alpha. Une dose proche de 1 Sv est cancérigène pour l’Homme et mortelle si elle dépasse 5 Sv.
dose : quantité d’énergie reçue lors d’une exposition à un rayonnement. Elle a pour unité le gray, noté Gy (l’ancienne unité est le rad). 1 Gy est un joule déposé dans un kilo de matière : 1 Gy = 1 J kg-1. Cette grandeur ne donne pas d’indication relative aux effets du rayonnement sur la matière irradiée. Deux autres grandeurs ont été définies à cette fin : la « dose équivalente » et la « dose efficace » ; leur unité commune est le sievert, noté Sv (l’ancienne unité est le rem). On les obtient en multipliant la dose en grays par un coefficient approprié.
dose efficace : quantifie l’efficacité d’une dose pour ioniser une matière donnée. Sa valeur est le produit de la dose équivalente par un facteur N qui dépend du matériau, du tissu ou de l’organisme irradié. N vaut de 0,002 à 0,1 pour les insectes et environ 1 pour l’Homme. On l’évalue pour chaque organe humain : 0,2 pour les gonades ; 0,12 pour la moelle ; 0,05 pour le cerveau ; 0,01 pour la peau, etc.
Le cyclotron Arronax
Un cyclotron se présente comme deux moitiés d’une grande boîte à camembert (de 4 mètres de diamètre pour Arronax). Entre ces deux parties creuses, nommées dees, une tension électrique génère un champ électrique E qui accélère des particules chargées. Leur trajectoire est incurvée par un champ magnétique B créé par deux électro-aimants situés au-dessous et au-dessus des dees. Afin qu’elles soient toujours accélérées, le champ électrique est inversé avant chacun de leurs passages entre les dees, au moyen d’une tension alternative. Les particules sont introduites près du centre de l’appareil. Elles suivent une trajectoire à peu près en forme de spirale avant d’atteindre le bord du cyclotron pour être projetées sur une cible, un peu comme un caillou avec une fronde. Arronax pourra conférer à des protons ou à des particules alpha une énergie cinétique de 70 MeV, ce qui correspond à 60 % de la vitesse de la lumière pour les protons et 20 % pour les alpha. Le débit de particules est mesuré en intensité de courant : il sera possible d’atteindre 35 microampères (µA) pour les particules alpha et 700 µA pour les protons, ce qui correspond à 400 000 milliards de protons par seconde !
Principe du cyclotron © RC2CDOSSIER
Les rayons du progrès
De nouveaux instruments
Une fronde radioactive
Le cyclotron nantais Arronax va fournir dès cette année de nouveaux outils à la médecine et permettra de mieux connaître les effets des rayonnements ionisants
Le cyclotron Arronax en cours de mise au point. © Ion Beam Applications (Belgique)Les accélérateurs de particules
Les rayonnements ionisants utilisés en médecine, dans la recherche ou dans l’industrie proviennent de sources de deux types : les isotopes radioactifs et les dispositifs producteurs de rayons X ou de faisceaux de particules. Projetés sur la matière, ces rayonnements peuvent transformer des noyaux atomiques stables en noyaux radioactifs.
Ces dispositifs sont en majeure partie des accélérateurs de particules (électrons, protons, noyaux...). Plus celles-ci sont rapides, plus elles sont énergétiques et plus l’échelle à laquelle elles permettent d’étudier la matière est petite. Les particules ionisantes les moins énergétiques arrachent les électrons externes des atomes qu’elles percutent ; les plus fortes d’entre elles peuvent scinder leurs noyaux et servir à sonder leur structure interne.
Seules les particules chargées (négativement pour un électron, positivement pour un proton) peuvent être accélérées, sous l’effet d’un champ électrique. Elles subissent alors une accélération linéaire (selon une droite). La présence d’un champ magnétique produit par de gros électro-aimants permet de les faire tourner, par exemple afin de les faire circuler dans un anneau.
Trois grands accélérateurs sont mis en service cette année en France : le synchrotron Soleil (cf. l'article Soleil et batteries ), le Large Hadron Collider (LHC) et le cyclotron Arronax. Soleil accélère des électrons et les fait circuler dans un anneau de 110 mètres de diamètre afin de produire des ondes électromagnétiques de grandes intensités (l’intensité correspond à un débit d’ondes ou de particules et non à un niveau d’énergie). Il sert surtout à l’analyse de matériaux à des fins industrielles.
Le LHC, un anneau de 8,5 km de diamètre enterré près de Genève, de part et d’autre de la frontière franco-suisse, accélèrera des protons et les fera se percuter avec une énergie telle que leur collision devrait engendrer des particules non observées à ce jour mais théoriquement prédites et décrites. Il est principalement dédié à la recherche fondamentale.
Les applications d’Arronax
À Nantes, Arronax aura un diamètre plus modeste : quatre mètres. Il va accélérer des protons et des particules alpha pour leur faire percuter des matériaux. En fonction de ces derniers, les collisions engendreront divers isotopes radioactifs qui sont utiles à la médecine nucléaire, notamment pour localiser puis pour détruire des tumeurs cancéreuses (cf. l'article Lumières médicales ). Ce cyclotron, d’un coût environ 10 fois moindre que celui de Soleil, lui-même plus de 10 fois inférieur à celui du LHC (plusieurs milliards d’euros), est capable de produire des rayonnements d’énergie et d’intensité parmi les plus élevées qui existent pour ce type d’appareils. L’énergie maximale restera cependant modeste en comparaison de celle de Soleil et surtout du LHC mais elle permettra de produire des radio-isotopes peu ou pas disponibles jusqu’à présent. Quant à son intensité, elle offrira une capacité de production importante. Arronax permettra également de mieux connaître les effets des rayonnements ionisants, en particulier ceux des particules alpha sur les matériaux inertes ou vivants. Cette avancée vise à mieux prévenir leurs conséquences néfastes dans des dispositifs soumis à des irradiations longues ou intenses. Elle est cruciale pour sécuriser le stockage des déchets de l’industrie nucléaire (cf. l'article sur la Radiochimie). Elle peut aussi servir à mettre au point des dispositifs d’électronique spatiale plus résistants aux rayons cosmiques. Enfin, elle devrait permettre de mieux comprendre les mécanismes à l’oeuvre lors de la mort cellulaire provoquée par une irradiation, afin d’optimiser la destruction des cellules tumorales ou d’améliorer les mesures de radioprotection.
