Cyclotron
Source: Wikipédia sous licence CC-BY-SA 3.0.
La liste des auteurs de cet article est disponible ici.
Un aimant du cyclosynchrotron du centre de protonthérapie d'Orsay
Un aimant du cyclosynchrotron du centre de protonthérapie d'Orsay

Le cyclotron est un type d’accélérateur circulaire inventé par Ernest Orlando Lawrence en 1931. Dans un cyclotron, les particules placées dans un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction, définie en tout...) suivent une trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) en forme de spirale (En mathématiques, une spirale est une courbe qui commence en un point central puis s'en éloigne de plus en plus, en même temps qu'elle tourne autour.) et sont accélérées par un champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence exercée à distance par des particules...) alternatif à des énergies de quelques MeV à une trentaine de MeV. D’autres types d’accélérateur circulaire, d’invention plus récente, permettent d’atteindre des énergies supérieures : synchrocyclotron (centaines de MeV) et synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) (millions de MeV, ou TeV).

Fonctionnement

Un électro-aimant de cyclotron au Laurence Hall of Science. Les parties noires sont en acier et se prolongent sous terre. Les bobines de l'aimant sont situées dans les cylindres blancs. La chambre à vide se situerait dans l’espace horizontal entre les pôles de l'aimant.
Un électro-aimant de cyclotron (Le cyclotron est un type d’accélérateur circulaire inventé par Ernest Orlando Lawrence en 1931. Dans un cyclotron, les particules placées dans un champ magnétique suivent une trajectoire en forme de spirale et sont...) au Laurence Hall of Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on...). Les parties noires sont en acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction métallique (voir aussi l’article sur la théorie du soudage de l’acier) et de la construction...) et se prolongent sous terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes....). Les bobines de l'aimant (Un aimant est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont le champ rémanent et l'excitation coercitive sont grands (voir ci-dessous). Cela lui donne des...) sont situées dans les cylindres blancs. La chambre à vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) se situerait dans l’espace horizontal (Horizontal est une orientation parallèle à l'horizon, et perpendiculaire à la verticale. Une ligne horizontale va « de la gauche vers la...) entre les pôles de l'aimant.

Dans un cyclotron le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique est appliqué perpendiculairement dans une chambre vide en forme de disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une forme ronde et régulière, à l'image d'un palet — discus en latin.), laquelle contient deux électrodes semi-circulaires en forme de D. Les portions rectilignes de ces électrodes se font face. Le flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un...) d’électrons ou d’ions traversant un champ magnétique perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en formant un angle droit. Le terme de perpendiculaire vient du latin per-pendiculum (fil à plomb) et...) est soumis à une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au...) perpendiculaire à la direction du mouvement (ce principe est utilisé pour le fonctionnement des moteurs (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie...) électriques). Ici, dans le vide, ces particules chargées suivent un parcours circulaire. Si les particules perdent de l’énergie elles suivront une spirale intérieure. Si l'appareil est capable d'augmenter leur énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) elles suivront une spirale en expansion. C'est ce principe qui est utilisé dans un cyclotron. Une tension (La tension est une force d'extension.) alternative de haute fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence sans...) est appliquée aux électrodes en D, ce qui accélère les particules à chacun de leurs passages de l'une à l'autre.

Fréquence du cyclotron

La force centripète est fournie par le champ magnétique transversal B, et la force qui s’applique à une particule traversant un champ magnétique (ce qui provoque la trajectoire circulaire) est égale à Bqv. En exprimant l’égalité avec la force centrifuge, on obtient.

m v²/r = B q v d'après Newton qui dit que la somme des forces apliquées est égale à m a et donc, la force de Lorentz (En physique, la force de Lorentz désigne :) (B q v) est égale à m a (dans un mouvement circulaire uniforme, l'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une grandeur vectorielle qui...) a = v²/r)

(Où m est la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse...) de la particule, q sa charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne...), v sa vitesse (On distingue :) et r le rayon de sa trajectoire.)

En conséquence,

v/r = B q/m

v/r est égal à la vitesse angulaire (En physique, et plus spécifiquement en mécanique, la vitesse angulaire ω, aussi appelée fréquence angulaire, est une mesure de la vitesse de rotation.), ω, ce qui donne

ω = B q/m

On a également la fréquence f,

f = ω/(2 π)

Donc,

f = B q/(2 π m)

Cela montre que pour une particule de masse constante, la fréquence ne dépend pas du rayon de l’orbite de cette particule. Tandis que le rayon s’accroît, la fréquence ne diminue pas, mais la particule accélère, ce qui lui fait parcourir une distance supplémentaire à chaque tour, pendant la même période. Cependant, quand elle approche la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour « célérité », la lumière se manifestant macroscopiquement comme un phénomène ondulatoire),...), un effet relativiste lui fait gagner une masse supplémentaire, ce qui demande un ajustement de la fréquence du champ électrique, opération qui est réalisée dans un synchrocyclotron.

Utilité

Un cyclotron est un accélérateur de particules (Les accélérateurs de particules sont des instruments qui utilisent des champs électriques et/ou magnétiques pour amener des particules chargées électriquement à des vitesses...) d’environ 6 m3, pouvant permettre la production de quatre radioéléments : l’oxygène 15 (15O), le carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) 11 (11C), l’azote 13 (13N), et le fluor (Le fluor est un élément chimique de symbole F et de numéro atomique 9. Il s'agit du premier élément de la famille des halogènes, de masse atomique 19.) 18 (18F).

Le fluor 18 (isotope à demi-vie (La demi-vie est le temps mis par une substance (médicament, noyau radioactif, ou autres) pour perdre la moitié de son activité pharmacologique, physiologique ou radioactive. En particulier, la demi-vie est le temps...) courte : 2 heures) permet de fabriquer du fluorodésoxyglucose (FDG), un sucre (Ce que l'on nomme habituellement le sucre est, dès 1406, une "substance de saveur douce extraite de la canne à sucre" (Chrétien de Troyes, Le...) radioactif qui va se fixer sur les zones cancéreuses. Une Tomographie par Émission de Positrons (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron. Il possède une charge électrique de +1 (contre -1 pour...) (TEP) permettra de détecter de façon particulièrement fine certains cancers puis de les traiter à des stades très précoces.

La technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) actuelle de fabrication des cyclotrons est actuellement quasi monopolisée par la société d'origine belge IBA, ( spin-off de l' Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment où...) catholique de Louvain, fondée en 1986 par Yves Jongen)dont le siège se situe à Louvain-la-Neuve

Page générée en 0.142 seconde(s) - site hébergé chez Amen
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
Ce site est édité par Techno-Science.net - A propos - Informations légales
Partenaire: HD-Numérique