Brevet FR3008822A1 — publié le 20150123

CREATION D'ISOTOPES PAR FAISCEAUX LASER La présente invention concerne un procédé et un système de création d'isotopes par faisceaux laser en milieu plasma. On appelle « plasma » un milieu partiellement ou complètement ionisé, composé d'ions et d'électrons, sans présupposition de température et/ou d'équilibre. Les isotopes créés peuvent être des isotopes stables ou instables, appelés alors radio-isotopes, dans leur état d'énergie fondamentale ou excitée, appelés alors isomères nucléaires. Pour la suite du texte, ils seront regroupés sous le terme « isotopes ». Des isotopes sont notamment utilisés en médecine, dans le cadre de diagnostics et de thérapies. Ils peuvent également être utilisés pour d'autres applications scientifiques ou industrielles, par exemple pour le traçage de produits. Actuellement, les isotopes sont généralement produits par des accélérateurs de particules, circulaires (cyclotrons) 20 ou linéaires, ou dans des réacteurs nucléaires. Cependant, du fait du coût et de la taille de ces installations, la production doit être réalisée sur un site dédié, éloigné des lieux d'utilisation. Cela implique d'organiser un transport rapide et sécurisé entre les lieux 25 de fabrication et d'utilisation. Cela empêche également l'utilisation d'un certain nombre d'isotopes, dont les durées de vie sont trop courtes pour traverser ce processus, mais qui présenteraient des avantages du point de vue des applications. 30 Le document US6 909 764 décrit un procédé de création d'isotopes, dans lequel une cible est bombardée par des particules générées en utilisant un faisceau laser. Des isotopes sont créés par des réactions nucléaires produites par l'interaction entre la cible et les particules. L'utilisation d'un faisceau laser permet de réduire la taille et le coût du système de création d'isotopes. Il est ainsi possible d'installer le système de création des isotopes à proximité de leur lieu d'utilisation, éliminant le problème du transport, ce qui est particulièrement intéressant pour les isotopes de courte durée de vie. La mise en oeuvre du procédé décrit dans le document US 6 909 764 a permis de mesurer une activité de 2x105 Bq avec l'installation laser Vulcan (Rutherford Laboratory, UK) pour la production de Carbone 11 (Mc) avec une intensité laser de 1020W/cm2, une durée d'impulsion de 750 femtosecondes, un seul faisceau laser et une seule impulsion lors de l'interaction du faisceau de protons avec une cible solide d'Azote 14 (14N). Cependant, une imagerie par émission de positrons (PET) nécessite une activité d'environ 5x105 Bq. Le procédé décrit dans le document US 6 909 764 ne permet donc pas d'obtenir, avec les lasers actuels, un niveau de production d'isotopes suffisant. Il existe donc un besoin de systèmes de création d'isotopes de taille et de coût réduits, pouvant être installés à proximité du lieu d'utilisation des isotopes, et permettant d'obtenir un niveau de production suffisant. La présente invention vient améliorer la situation. A cet effet, l'invention propose un procédé de création d'isotopes par faisceaux laser, comprenant des étapes : /1/ mettre une cible en condition de plasma, /2/ bombarder la cible en condition de plasma par des particules générées en utilisant un ensemble de faisceaux laser, l'ensemble de faisceaux laser étant synchronisé avec la mise en condition de plasma, le combustible et les particules étant choisis de manière que l'interaction entre la cible en condition de plasma et les 5 particules produise des réactions nucléaires, /3/ récupérer des isotopes générés par les réactions nucléaires. L'étape /2/ peut être répétée une ou plusieurs fois sur la même cible. 10 Une durée caractéristique des impulsions produites par l'ensemble de faisceaux laser est par exemple comprise entre 50 femtosecondes et 300 picosecondes. L'étape /2/ peut comprendre une opération de production des particules par irradiation d'une deuxième cible solide, 15 solide structurée, gazeuse ou liquide, par l'ensemble de faisceaux laser. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'ensemble de faisceaux laser utilisé pour bombarder la cible est un premier ensemble de faisceaux laser, la cible étant mise en 20 condition de plasma en utilisant un deuxième ensemble de faisceaux laser synchronisé avec le premier. Une durée caractéristique des impulsions produites par le deuxième ensemble de faisceaux laser est par exemple comprise entre une picoseconde et vingt nanosecondes. 25 Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la cible est mise en condition de plasma en utilisant une machine à striction axiale. Selon un mode de réalisation de l'invention, la cible comporte un creux, les particules bombardant la cible à 30 l'intérieur du creux. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la cible est disposée dans une enveloppe comportant une ouverture, les particules bombardant la cible par l'ouverture. Le combustible et les particules peuvent être choisis de 5 manière que l'interaction entre la cible en condition de plasma et les particules produise des réactions nucléaires en chaîne. L'invention propose également un programme informatique comportant des instructions pour la mise en oeuvre du procédé 10 lorsque ce programme est exécuté par un processeur. L'invention propose également un système de création d'isotopes par faisceaux laser, comprenant : /1/ des moyens d'ionisation configurés pour mettre une cible en condition de plasma, 15 /2/ un ensemble de faisceaux laser configure pour irradier la cible en condition de plasma par des particules, l'ensemble de faisceaux laser étant synchronisé avec les moyens d'ionisation, le combustible et les particules étant choisis de manière que 20 l'irradiation de la cible en condition de plasma par les particules produise des réactions nucléaires, /3/ des moyens de récupération d'isotopes configurés pour récupérer des isotopes générés par les réactions nucléaires. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention 25 apparaîtront encore à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - la Figure 1 est un schéma fonctionnel montrant un 30 système de création d'isotopes selon un mode de réalisation de l'invention ; et - la Figure 2 est un organigramme illustrant les étapes d'un procédé de création d'isotopes par faisceaux laser selon un mode de réalisation de l'invention. La Figure 1 représente un système de création d'isotopes par faisceaux laser. Les isotopes peuvent être des isotopes stables, des radio-isotopes, ou des isomères nucléaires. Le système comprend un premier ensemble de faisceaux 10 laser 1 configuré pour permettre l'irradiation d'une cible 2 en condition de plasma par un faisceau de particules 3. La cible 2 peut présenter différentes formes. Selon le mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure 1, la cible 2 est disposée dans une enveloppe 4 comportant une 15 ouverture. Selon un autre mode de réalisation de l'invention non représenté, la cible 2 comporte un creux. Les particules comprennent des ions et des électrons. Le premier ensemble de faisceaux laser 1 peut 20 comprendre un ou plusieurs faisceau(x) laser. Sur la Figure 1, trois faisceaux ont été représentés. Une durée caractéristique des impulsions produites par les faisceaux laser 1 est par exemple comprise entre 50 femtosecondes et 300 picosecondes. L'intensité, la 25 longueur d'onde, la durée et la forme des impulsions produites par les faisceaux laser 1 sont en outre déterminées pour que les particules de bombardement présentent une énergie qui est proche de, ou supérieure à, celle des résonances de la section efficace de la réaction nucléaire 30 considérée. Une énergie supérieure permet de prendre en compte les pertes d'énergie liées à la traversée du plasma entourant la cible 2. L'intensité des faisceaux laser 1 est par exemple de l'ordre de, ou supérieure à, 1018 W/cm2. Le système comprend également des moyens d'ionisation 5, configurés pour mettre la cible 2 en condition de plasma. Selon le mode de réalisation de l'invention représenté sur la Figure 1, les moyens d'ionisation comprennent un deuxième ensemble de faisceaux laser 5. Le deuxième ensemble de faisceaux laser 5 peut comprendre un ou plusieurs faisceau(x) laser. Sur la Figure 1, 10 deux faisceaux laser ont été représentés. Les impulsions qui sont produites par le deuxième ensemble de faisceaux laser 5 présentent une durée caractéristique comprise entre une picoseconde et vingt nanosecondes. L'intensité des faisceaux laser 5 est par 15 exemple de l'ordre de 1012-1015 W/cm2. Selon un autre mode de réalisation de l'invention non représenté, les moyens d'ionisation 5 comprennent une machine à striction axiale (Z-pinch). Le système comprend également des moyens de 20 synchronisation 7, configurés pour synchroniser le premier ensemble de faisceaux laser 1 et les moyens d'ionisation 5. Ainsi, la production des particules est synchronisée avec la production du plasma, de manière que la cible 2 soit irradiée pendant qu'elle est en condition de plasma. 25 Le système comprend également des moyens de récupération d'isotopes (non représentés) configurés pour récupérer des isotopes générés par des réactions nucléaires. En se référant à la Figure 2, on décrit ci-dessous les étapes d'un procédé de création d'isotopes par faisceaux 30 laser selon un mode de réalisation de l'invention. Le procédé peut être mis en oeuvre par le système décrit ci-dessus. Le procédé comprend : - une étape S1 d'initialisation de la synchronisation, - une étape S2 de mise en condition de plasma d'une cible 2, - une étape S3 de génération d'un faisceau de particules 3, - une étape S4 de bombardement de la cible 2 par les particules 3, et - une étape S5 de récupération d'isotopes. A l'étape S1, les moyens de synchronisation 7 sont mis 10 en marche, de manière à contrôler les instants de réalisation des étapes S2 à S4. En effet, la création du plasma et son bombardement par les particules 3 doivent être synchronisés. Dans le mode de réalisation de l'invention représenté, cela peut être réalisé 15 par la synchronisation des premier et deuxième ensembles de faisceaux laser 1, 5. A l'étape S2, la cible 2 est mise en condition de plasma. La cible 2 peut être solide, solide structurée, gazeuse ou liquide. 20 A l'étape S3, les particules 3 sont générées par irradiation d'une deuxième cible 6 par le premier ensemble de faisceaux laser 1. L'état initial de la cible 6 peut être solide, solide structuré, gazeux ou liquide. La cible 6 est par exemple une feuille métallique d'épaisseur limitée. 25 A l'étape S4, la cible 2 en condition de plasma est bombardée par les particules 3. Le combustible et les particules sont choisis de manière que l'interaction entre la cible 2 en condition de plasma et le faisceau de particules 3 produise des réactions 30 nucléaires. Selon des modes de réalisation de l'invention, le combustible et les particules sont choisis de manière que l'interaction entre la cible 2 en condition de plasma et le faisceau de particules 3 produise des réactions nucléaires en chaîne. La production de réactions nucléaires en chaîne permet d'augmenter la production d'isotopes. En outre, du fait de l'utilisation d'une cible 2 en condition de plasma, les électrons du faisceau de particules 3 interagissent avec la cible 2, en parallèle de l'interaction entre les ions du faisceau de particules 3 et la cible 2. Cette double interaction permet également d'augmenter la production d'isotopes. Lorsque la cible 2 comporte un creux, les particules 3 bombardent la cible 2 à l'intérieur du creux. Lorsque la cible 2 est disposée dans une enveloppe 4 comportant une ouverture, les particules 3 bombardent la 15 cible 2 par l'ouverture. L'utilisation d'un creux ou d'une enveloppe permet de confiner les isotopes produits à l'intérieur de la cible 2 ou de l'enveloppe 4. L'étape S4 peut être répétée une ou plusieurs fois sur 20 la même cible 2. L'accumulation de tirs laser sur la même cible 2 permet d'augmenter la production d'isotopes. Le taux de répétition est par exemple de l'ordre de 103 Hz. A l'étape S5, des isotopes générés par les réactions nucléaires sont récupérés. 25 Les isotopes peuvent être récupérés directement dans la cible, en particulier lorsqu'ils ont été confinés dans la cible 2 ou dans l'enveloppe 4. La récupération est ainsi facilitée. Selon d'autres modes de réalisation de l'invention, un 30 dispositif de récupération d'isotopes est disposé à proximité de la cible 2. Les calculs et les premiers résultats d'expériences montrent une forte augmentation des taux de réaction lorsque la cible 2 est en condition de plasma, conduisant à des rendements de production d'isotopes beaucoup plus élevés que les méthodes proposées actuellement par laser. De plus, grâce au procédé, la zone d'émission est plus dense et plus petite, ce qui facilite la récupération des isotopes. Les isotopes créés peuvent être des isotopes stables, des radio-isotopes, ou des isomères nucléaires, en fonction des applications considérées. Ce procédé permet notamment de produire l'isotope Carbone 11 (1pc) partir de la réaction nucléaire 14N (p, 0) uc produite par un faisceau de protons (p) bombardant une cible 2 contenant de l'Azote 14 (14N), ou à partir de la réaction nucléaire ii_B (p, n)1 1 -C en bombardant une cible contenant du bore 113 par des protons. D'autres isotopes, tels que Fluorine 18 (18F) , Azote 13 (13N), et Oxygène 15 (150), peuvent être produits à partir des réactions suivantes : 180(p,n)18F, HNe(d,n)IF'F, 160(p,a)13N, 20 13C(p,n)13N, 14N(d,n)150, et 15N(p,n)150. Les isotopes créés dépendent du combustible 2 et des particules 3 utilisés. On décrit ci-dessous un exemple de mise en oeuvre du procédé de création d'isotopes. 25 Le premier ensemble de faisceaux laser 1 comprend dans cet exemple un faisceau laser produisant une impulsion laser délivrant 20J en lps à la longueur d'onde 0.53 pm. Le faisceau laser 1 est focalisé sur une feuille d'aluminium 6 de 20pm d'épaisseur initiale. 30 Le faisceau de particules 3 généré est un faisceau de protons énergétiques. Des protons ayant un spectre d'énergie décroissant exponentiellement avec une énergie maximum d'environ 12 MeV sont envoyés sur une cible 2 de bore naturel (20% de HB et 80% de 11B) transformée en plasma juste avant l'arrivée du faisceau de protons. La mise en condition de plasma est réalisée par un autre faisceau laser 5 délivrant 300J en 1.5ns à la longueur d'onde 0.53 pm. Le Carbone 11 (MC) produit sur une cible de bore par la réaction (p, ns )-C est mesuré après le tir par l'activation de la cible 2. Le 11C produit est alors mesuré dans la cible 2. Pour évaluer l'amélioration du rendement de production, une cible de bore solide est également bombardée par un faisceau de protons dans les mêmes conditions. Une forte augmentation de la production de 11C a été observée lorsque la cible de bore est sous forme de plasma 15 comparé au solide. Le procédé et le système décrits ci-dessus permettent ainsi la réalisation d'installations moins coûteuses, plus efficaces et pouvant fonctionner sur site, notamment pour la production d'isotopes à des fins diagnostics et de thérapie 20 en médecine. Bien entendu, la présente invention ne se limite pas aux formes de réalisation décrites ci-avant à titre d'exemples ; elle s'étend à d'autres variantes. 25 REVENDICATIONS1. Procédé de création d'isotopes par faisceaux laser, comprenant des étapes : /1/ mettre une cible (2) en condition de plasma, /2/ bombarder la cible (2) en condition de plasma par des particules (3) générées en utilisant un ensemble de faisceaux laser (1), l'ensemble de faisceaux laser étant synchronisé avec la mise en condition de plasma, le combustible et les particules étant choisis de manière que l'interaction entre la cible en condition de plasma et les particules produise des réactions nucléaires, /3/ récupérer des isotopes générés par les réactions nucléaires. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape /2/ est répétée plusieurs fois sur la même cible (2). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'étape /2/ comprend une opération de production des particules (3) par irradiation d'une deuxième cible (6) solide, solide structurée, gazeuse ou liquide, par l'ensemble de faisceaux laser (1). 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'ensemble de faisceaux laser (1) utilisé pour bombarder la cible (2) est un premier ensemble de faisceaux laser, la cible (2) étant mise en condition de plasma en utilisant un deuxième ensemble de faisceaux laser (5). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la cible (2) est mise en condition de plasma en utilisant une machine à striction axiale. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la cible (2) comporte un creux, les particules (3) bombardant la cible à l'intérieur du creux. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la cible (2) est disposée dans une enveloppe (4) comportant une ouverture, les particules (3) bombardant la cible par l'ouverture. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le combustible et les particules sont choisis de manière que l'interaction entre la cible (2) en condition de plasma et les particules (3) produise des réactions nucléaires en chaîne. 9. Programme informatique comportant des instructions pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 8 lorsque ce programme est exécuté par un processeur. 10. Système de création d'isotopes par faisceaux laser, comprenant : /1/ des moyens d'ionisation (5) configurés pour mettre une cible (2) en condition de plasma,/2/ un ensemble de faisceaux laser (1) configure pour irradier la cible (2) en condition de plasma par des particules (3), l'ensemble de faisceaux laser étant synchronisé avec les moyens d'ionisation, le combustible et les particules étant choisis de manière que l'irradiation de la cible en condition de plasma par les particules produise des réactions nucléaires, /3/ des moyens de récupération d'isotopes configurés pour récupérer des isotopes générés par les réactions nucléaires.