Les isotopes artificiels : L'ère des machines
L’ère des machines
Rétrospectivement, il paraît étonnant que la radioactivité artificielle ait été découverte en utilisant les particules a de radioactivité comme projectiles. En effet, les accélérateurs de particules existaient depuis quelques années, et ces machines fournissaient déjà des faisceaux de protons à des énergies suffisantes pour produire des réactions nucléaires et avec des intensités bien supérieures à celles de la plus puissante des sources de polonium. Mais comment fonctionnaient ces machines ?
La première idée qui vient à l’esprit pour concevoir un accélérateur de protons est de mettre à profit la charge électrique de ces particules pour leur communiquer de l’énergie cinétique à l’aide de deux électrodes portées à des potentiels différents . Dès 1929, le physicien américain Robert Van de Graaff avait ainsi construit un premier générateur électrostatique dans lequel une sphère conductrice était chargée à une haute tension de 80 kilovolts au moyen d’une courroie isolante en mouvement transportant des charges créées par influence électrique. Les machines de Van de Graaff atteignirent le million de volts en 1931, et 7 millions de volts en 1933.
La première idée qui vient à l’esprit pour concevoir un accélérateur de protons est de mettre à profit la charge électrique de ces particules pour leur communiquer de l’énergie cinétique à l’aide de deux électrodes portées à des potentiels différents . Dès 1929, le physicien américain Robert Van de Graaff avait ainsi construit un premier générateur électrostatique dans lequel une sphère conductrice était chargée à une haute tension de 80 kilovolts au moyen d’une courroie isolante en mouvement transportant des charges créées par influence électrique. Les machines de Van de Graaff atteignirent le million de volts en 1931, et 7 millions de volts en 1933.
Cependant, ces générateurs électrostatiques n’étaient pas encore capables d’accélérer des particules, et ce fut aux Britanniques John Cockroft et Ernest Walton que revinrent, en 1932, le mérite et l’honneur de mettre en évidence la première réaction nucléaire réalisée sur un accélérateur de particules. Ces physiciens, qui travaillaient dans le laboratoire de Rutherford, à Cambridge, avaient mis en œuvre une autre technique. Ils utilisaient une véritable alimentation électronique capable de produire des hautes tensions de plusieurs centaines de kilovolts. L’expérience eut lieu à 400 000 volts. Les protons issus d’une source portée à cette tension parvenaient au potentiel de la terre avec une énergie de 400 kiloélectronvolts (keV), c’est-à-dire 13 fois plus faible que celle des particules a du polonium. Malgré cela, les deux Britanniques purent observer une réaction nucléaire très intéressante :
p + 7Li -» α + α
au cours de laquelle le proton incident pénètre dans le noyau de lithium 7 pour former un éphémère noyau de 8Be qui se désintègre spontanément en deux particules a. Celles-ci étaient observées à l’aide de détecteurs scintillants, comme au bon vieux temps des expériences de Marsden et Geiger, plus de vingt ans auparavant !
au cours de laquelle le proton incident pénètre dans le noyau de lithium 7 pour former un éphémère noyau de 8Be qui se désintègre spontanément en deux particules a. Celles-ci étaient observées à l’aide de détecteurs scintillants, comme au bon vieux temps des expériences de Marsden et Geiger, plus de vingt ans auparavant !
Par la suite, de gros progrès furent réalisés par les accélérateurs électrostatiques, mais la véritable percée vint d’Amérique, avec l’invention du cyclotron.
Dans les accélérateurs électrostatiques, comme nous venons de le voir, la tension accélératrice n’était utilisée qu’une seule fois. Les particules, de charge q gagnaient l’énergie q • V en passant du potentiel (V) au potentiel 0. Dans le cyclotron dont le principe est donné dans l’encart, un artifice permet d’utiliser la tension V un grand nombre de fois. Cependant, la technologie de cet appareil est plus complexe que celle des machines électrostatiques, puisqu’il doit être équipé d’une alimentation de tension alternative de haute fréquence, d’un champ magnétique puissant destiné à faire tourner en permanence les particules, et d’une source d’ions interne de petites dimensions.
C’est à Emest Lawrence, un jeune professeur de l’université de Berkeley, en Californie, que revient le mérite d’avoir conçu le premier cydotron. Celui-ci était de taille plus que modeste, puisque sa chambre d’accélération, réalisée en verre, tenait facilement dans une main grande ouverte. Ce prototype lui ayant servi à vérifier le principe de fonctionnement de sa nouvelle machine, Lawrence en construisit très vite un autre, un peu plus grand, qui fonctionna en 1930. En 1932, la première désintégration d’un atome sous l’impact d’un proton accéléré par un cydotron était observée à Berkeley. À partir de ce moment, au sein du « Radiation Laboratory » qui porte aujourd’hui son nom, Lawrence fabriqua des cyclotrons de plus en plus grands, de plus en plus puissants.
Ernest Lawrence ne s’intéressait pas au premier chef à la physique nucléaire. Son « job », c’était la construction des machines. Cependant, en 1934, ses cyclotrons avaient déjà produit du faisceau pendant des périodes de temps non négligeables. Aussi, imaginez la surprise de ces physiciens américains lorsque vint de France la nouvelle que des particules énergétiques pouvaient engendrer de la radioactivité en pénétrant la matière. Pénétrer la matière, que ce soit celle des cibles, des diaphragmes qu’ils utilisaient ou même des structures du cyclotron, leurs faisceaux ne faisaient que cela, et personne n’avait rien remarqué ! D’après certains auteurs , les chercheurs du « Radiation Laboratory », pensant comme tout le monde que des émissions de particules avaient lieu uniquement pendant l’impact du faisceau sur la cible, avaient connecté l’alimentation électrique de leur détecteur sur le même circuit que celle de la haute fréquence du cyclotron. Pour arrêter le faisceau de l’accélérateur, ils actionnaient le disjoncteur de cette alimentation, coupant le compteur en même temps !
Modifiant en hâte leur branchement, les physiciens américains purent constater immédiatement la réalité des phénomènes annoncés par les Joliot-Curie. Ils réalisèrent du même coup qu’ils travaillaient pratiquement en permanence dans une radioactivité ambiante notable… Sans la particularité de cette installation électrique, c’est vraisemblablement à Berkeley que la radioactivité artificielle aurait été découverte. Cependant, l’avance technologique que les Américains étaient en train de prendre dans le domaine des cyclotrons allait les placer en excellente position pour de futurs succès.
C’est à Emest Lawrence, un jeune professeur de l’université de Berkeley, en Californie, que revient le mérite d’avoir conçu le premier cydotron. Celui-ci était de taille plus que modeste, puisque sa chambre d’accélération, réalisée en verre, tenait facilement dans une main grande ouverte. Ce prototype lui ayant servi à vérifier le principe de fonctionnement de sa nouvelle machine, Lawrence en construisit très vite un autre, un peu plus grand, qui fonctionna en 1930. En 1932, la première désintégration d’un atome sous l’impact d’un proton accéléré par un cydotron était observée à Berkeley. À partir de ce moment, au sein du « Radiation Laboratory » qui porte aujourd’hui son nom, Lawrence fabriqua des cyclotrons de plus en plus grands, de plus en plus puissants.
Ernest Lawrence ne s’intéressait pas au premier chef à la physique nucléaire. Son « job », c’était la construction des machines. Cependant, en 1934, ses cyclotrons avaient déjà produit du faisceau pendant des périodes de temps non négligeables. Aussi, imaginez la surprise de ces physiciens américains lorsque vint de France la nouvelle que des particules énergétiques pouvaient engendrer de la radioactivité en pénétrant la matière. Pénétrer la matière, que ce soit celle des cibles, des diaphragmes qu’ils utilisaient ou même des structures du cyclotron, leurs faisceaux ne faisaient que cela, et personne n’avait rien remarqué ! D’après certains auteurs , les chercheurs du « Radiation Laboratory », pensant comme tout le monde que des émissions de particules avaient lieu uniquement pendant l’impact du faisceau sur la cible, avaient connecté l’alimentation électrique de leur détecteur sur le même circuit que celle de la haute fréquence du cyclotron. Pour arrêter le faisceau de l’accélérateur, ils actionnaient le disjoncteur de cette alimentation, coupant le compteur en même temps !
Modifiant en hâte leur branchement, les physiciens américains purent constater immédiatement la réalité des phénomènes annoncés par les Joliot-Curie. Ils réalisèrent du même coup qu’ils travaillaient pratiquement en permanence dans une radioactivité ambiante notable… Sans la particularité de cette installation électrique, c’est vraisemblablement à Berkeley que la radioactivité artificielle aurait été découverte. Cependant, l’avance technologique que les Américains étaient en train de prendre dans le domaine des cyclotrons allait les placer en excellente position pour de futurs succès.
En 1936, le diamètie du plus grand cydotron de Lawrence atteignait 94 cm, et en 1939 une machine de 1,52 m entrait en service. Ces accélérateurs étaient désormais engagés dans ce qui était devenu le « challenge » international, la production de nouveaux noyaux. Des éléments chimiques inconnus, dont tous les isotopes étaient radioactifs furent même découverts. Avec le cydotron de 94 cm, ce fut le technécium, correspondant à la 47e case du tableau de Mendeleïev, et avec celui de 1,52 m, plusieurs éléments transuraniens (au-delà de Z = 92).
À Paris, Joliot s’était immédiatement rendu compte du haut intérêt que présentait la production d’isotopes, tant pour la physique fondamentale que pour leurs applications, notamment médicales. Conscient également des limitations en énergie et en intensité inhérentes aux sources radioactives, il s’employa à construire un accélérateur électrostatique alimenté par un générateur de 3 millions d’électron-volts qui avait été réalisé dans le laboratoire Ampère d’Ivry-sur-Seine, puis un cydotron. Ce dernier fut installé au Collège de France, où Joliot venait d’être nommé à la nouvelle chaire de chimie nucléaire. Ce cydotron dont la construction fut achevée en 1938, était l’un des tout premiers en Europe ». Il était équipé d’une chambre d’accélération de 80 cm de diamètre, placée dans l’entrefer d’un électroaimant d’une vingtaine de tonnes.Ses caractéristiques lui permettaient de produire des faisceaux de deutons de 6,7 MeV. Chose impensable aujourd’hui, ces faisceaux de particules étaient envoyés directement dans l’air de la salle d’expérience , en traversant une feuille d’or qui préservait le vide dans la chambre d’accélération ! Il ne fonctionna que de façon irrégulière entre 1938 et 1940, mais fut tout de même utilisé dès cette époque pour la production d’isotopes radioactifs.
En 1956, Frédéric Joliot-Curie devint directeur de l’institut du radium à Orsay. Le cydotron fut alors transféré dans ce nouveau laboratoire, où il fut installé près d’un synchrocyclotron, machine beaucoup plus puissante qui venait d’y être construite. Il y resta en fonctionnement jusqu’en novembre 1966. Son électroaimant fut ensuite utilisé comme déviateur sur une ligne de faisceau du synchrocyclotron. Cette machine de bien plus haute énergie fut rénovée en 1977, et cessa d’être utilisée pour des expériences de physique à la fin des années 1980. Reprise en charge par la médedne en 1990, elle est utilisée actuellement pour le traitement de certains cancers.L’électroaimant du cydotron de Joliot, âgé maintenant de plus de soixante-cinq ans, y joue toujours son rôle de déviateur de faisceau. Quant à la chambre d’accélération, elle a été recueillie par le musée du Conservatoire national des arts et métiers à Paris où elle est exposée. Enfin un bas-relief évoquant ce premier cydotron français peut être admiré dans le hall d’un des bâtiments du siège du Centre national de la recherche scientifique (CNRS) à Paris.
À Paris, Joliot s’était immédiatement rendu compte du haut intérêt que présentait la production d’isotopes, tant pour la physique fondamentale que pour leurs applications, notamment médicales. Conscient également des limitations en énergie et en intensité inhérentes aux sources radioactives, il s’employa à construire un accélérateur électrostatique alimenté par un générateur de 3 millions d’électron-volts qui avait été réalisé dans le laboratoire Ampère d’Ivry-sur-Seine, puis un cydotron. Ce dernier fut installé au Collège de France, où Joliot venait d’être nommé à la nouvelle chaire de chimie nucléaire. Ce cydotron dont la construction fut achevée en 1938, était l’un des tout premiers en Europe ». Il était équipé d’une chambre d’accélération de 80 cm de diamètre, placée dans l’entrefer d’un électroaimant d’une vingtaine de tonnes.Ses caractéristiques lui permettaient de produire des faisceaux de deutons de 6,7 MeV. Chose impensable aujourd’hui, ces faisceaux de particules étaient envoyés directement dans l’air de la salle d’expérience , en traversant une feuille d’or qui préservait le vide dans la chambre d’accélération ! Il ne fonctionna que de façon irrégulière entre 1938 et 1940, mais fut tout de même utilisé dès cette époque pour la production d’isotopes radioactifs.
En 1956, Frédéric Joliot-Curie devint directeur de l’institut du radium à Orsay. Le cydotron fut alors transféré dans ce nouveau laboratoire, où il fut installé près d’un synchrocyclotron, machine beaucoup plus puissante qui venait d’y être construite. Il y resta en fonctionnement jusqu’en novembre 1966. Son électroaimant fut ensuite utilisé comme déviateur sur une ligne de faisceau du synchrocyclotron. Cette machine de bien plus haute énergie fut rénovée en 1977, et cessa d’être utilisée pour des expériences de physique à la fin des années 1980. Reprise en charge par la médedne en 1990, elle est utilisée actuellement pour le traitement de certains cancers.L’électroaimant du cydotron de Joliot, âgé maintenant de plus de soixante-cinq ans, y joue toujours son rôle de déviateur de faisceau. Quant à la chambre d’accélération, elle a été recueillie par le musée du Conservatoire national des arts et métiers à Paris où elle est exposée. Enfin un bas-relief évoquant ce premier cydotron français peut être admiré dans le hall d’un des bâtiments du siège du Centre national de la recherche scientifique (CNRS) à Paris.
Dans la course aux hautes énergies, les synchrocyclotrons étaient donc venus relayer les cyclotrons au cours des années 1950. En même temps furent construits des accélérateurs linéaires de grande longueur et des synchrotrons, machines annulaires qui permirent d’atteindre les très hautes énergies accessibles aujourd’hui
Vidéo : Les isotopes artificiels : L’ère des machines
Vidéo démonstrative pour tout savoir sur : Les isotopes artificiels : L’ère des machines
