Source: International Atomic Energy Agency
Comment fonctionne un cyclotron ?
Dans un premier temps, des particules chargées, telles que des ions positifs ou négatifs, sont injectées au centre du cyclotron, où elles commencent à se déplacer vers l’extérieur selon une trajectoire en forme de spirale.
À l’intérieur du cyclotron se trouvent les « dés », deux électrodes métalliques creuses en forme de D qui sont placées entre les pôles d’un grand aimant. Le champ magnétique force les particules à suivre une trajectoire circulaire, tandis qu’un champ électrique alternatif augmente l’énergie des particules à chaque fois qu’elles traversent l’espace entre les deux dés. Au fur et à mesure que les particules gagnent en vitesse et en énergie, elles continuent à se déplacer en spirale vers l’extérieur.
Une fois que les particules atteignent le bord extérieur du cyclotron, elles sont dirigées vers une cible. Lorsque les particules accélérées viennent frapper la cible, elles peuvent provoquer des réactions nucléaires qui ont pour effet de produire des radio-isotopes.
Près d’un siècle après leur invention, les cyclotrons sont toujours très populaires en raison de leur fiabilité, de leur efficacité et de leur polyvalence.
Si tous les accélérateurs de particules ont un objectif commun, à savoir augmenter l’énergie des particules, ils n’y parviennent pas tous de la même manière.
Les cyclotrons accélèrent les particules selon une trajectoire en forme de spirale en appliquant un champ magnétique constant et un champ électrique alternatif. Cette conception reposant sur un mouvement en spirale est l’un des principaux avantages du cyclotron. Elle permet une accélération continue dans un espace relativement restreint. Ainsi, les cyclotrons sont généralement plus petits – souvent assez compacts pour tenir dans une pièce – et plus abordables que les autres accélérateurs. Ils peuvent être installés dans des hôpitaux ou des laboratoires universitaires sans nécessiter d’installations de grande envergure. Par ailleurs, les cyclotrons se prêtent bien à la production de certains types de radio-isotopes nécessaires en imagerie médicale et dans le traitement du cancer, ainsi qu’à d’autres applications ciblées dans les secteurs de la recherche ou de l’industrie.
Contrairement aux cyclotrons, les accélérateurs linéaires, aussi appelés « linacs », propulsent les particules en ligne droite à l’aide d’une série de champs électriques. Bien qu’ils puissent être plus simples dans leur conception, les linacs nécessitent souvent beaucoup plus d’espace qu’un cyclotron pour atteindre les mêmes niveaux d’énergie. On les emploie couramment en radiothérapie pour produire des faisceaux ciblés de rayonnements qui permettent de traiter les tumeurs avec précision.
Un autre type d’accélérateur, le synchrotron, se présente sous la forme d’une machine beaucoup plus grande et plus complexe, que l’on trouve dans les centres de recherche nationaux. Comme les cyclotrons, les synchrotrons impriment aux particules une trajectoire circulaire, mais au moyen de champs magnétiques variables et d’une accélération par radiofréquence. Ces machines peuvent permettre d’atteindre des niveaux d’énergie extrêmement élevés, ce qui en fait un outil utile pour la recherche en physique des particules et en science des matériaux et même pour la mise au point de médicaments. Toutefois, du fait de leur taille et de leur coût, les synchrotrons sont généralement utilisés par des centres de recherche d’envergure nationale ou internationale, et non par des hôpitaux ou de petits laboratoires.
Les différents types d’accélérateurs jouent chacun un rôle important, mais les cyclotrons restent ceux qui sont les plus largement déployés et les plus faciles à utiliser pour les applications médicales courantes.
Comment les cyclotrons sont-ils utilisés dans le diagnostic et le traitement des maladies ?
Les cyclotrons sous-tendent un grand nombre d’outils, de traitements et de découvertes qui améliorent notre vie quotidienne. À la fois compacts, efficaces et relativement simples d’emploi, ils sont une solution parfaite pour produire des radio-isotopes médicaux, atomes instables qui émettent des rayonnements et qui sont utilisés pour le diagnostic et le traitement du cancer.
Dans le domaine de la production de radio-isotopes, un élément important est à prendre en considération : la durée de vie effective des isotopes, c’est-à-dire la durée pendant laquelle ils restent radioactifs et utilisables à des fins médicales après leur production.
Les radio-isotopes utilisés dans le cadre de traitements médicaux ont généralement une période radioactive de quelques jours, ce qui leur permet d’éliminer efficacement les cellules cancéreuses. Ils peuvent également être transportés des sites de production jusqu’aux hôpitaux et aux centres de traitement dans ce court laps de temps.
En revanche, d’autres isotopes utilisés à des fins de diagnostic ont des périodes radioactives extrêmement courtes, ce qui signifie que leur radioactivité décroît rapidement ; ils perdent donc leur efficacité en quelques heures et ne peuvent pas être transportés sur de longues distances.
Les cyclotrons sont appréciés, car ils permettent de produire des isotopes sur place ou à proximité, ce qui donne l’assurance aux patients qu’ils pourront bénéficier de diagnostics rapides et précis et d’un traitement en temps voulu.
Imagerie médicale
Ce type d’examen aide les médecins à détecter à un stade précoce et avec une grande précision des maladies comme le cancer et la maladie d’Alzheimer et des affections cardiovasculaires comme les cardiopathies. La détection précoce permet d’améliorer le diagnostic et de mieux planifier le traitement.
Traitement du cancer
Les cyclotrons contribuent également au traitement du cancer en produisant des médicaments radioactifs spéciaux utilisés dans le traitement ciblé aux radionucléides. Dans ce type de traitement, les rayonnements sont administrés directement aux cellules cancéreuses, ce qui permet de les détruire tout en réduisant le plus possible les effets dommageables sur les tissus sains.
Comment les cyclotrons sont-ils utilisés aujourd’hui ?
Les cyclotrons jouent un rôle essentiel dans les infrastructures modernes, les soins de santé et la recherche.
À l’heure actuelle, des milliers de cyclotrons sont en service partout dans le monde, notamment dans des hôpitaux, des centres de cancérologie et des établissements de recherche. Face à l’augmentation de la demande d’outils de diagnostic non invasifs tels que la tomographie à émission de positons et la tomographie d’émission monophotonique (SPECT), on a de plus en plus besoin de cyclotrons ainsi que de centres de recherche désireux de produire des radio-isotopes sans uranium.
Auparavant, un grand nombre de radio-isotopes médicaux étaient produits dans des réacteurs nucléaires à partir d’uranium. Or, ce processus de fabrication peut générer des déchets radioactifs à longue période et soulève des préoccupations en matière de sûreté et de sécurité. Afin de trouver des moyens plus propres et plus sûrs de produire ces substances importantes, les pays se tournent vers les cyclotrons, qui permettent de fabriquer des radio-isotopes sans utiliser d’uranium.
Grâce aux nouvelles générations de cyclotrons compacts et à faible énergie, les hôpitaux et les établissements de plus petite taille ont désormais accès à cette technologie. Les chercheurs continuent d’étudier de nouvelles applications des radio-isotopes dans les domaines des sciences de l’environnement, du génie des matériaux et de la sécurité intérieure.
Si le principe fondamental sur lequel repose le cyclotron n’a pas changé depuis les années 1930, cette technologie dont on ne saurait se passer continue d’évoluer et de s’adapter aux besoins du XXIe siècle.