BE1031179B1

BE1031179B1 - Cyclotron

Info

Publication number: BE1031179B1
Application number: BE20226078A
Authority: BE
Inventors: Emile Conard
Original assignee: Nanomarker Sprl
Priority date: 2022-12-23
Filing date: 2022-12-23
Publication date: 2024-07-22
Also published as: WO2024133673A1; BE1031179A1; EP4631315A1; CN120419292A

Abstract

Cyclotron pour produire des radionucléides pour applications médicales, le cyclotron comprenant un électroaimant, un résonateur et une entrée de particules chargées dans le cyclotron et une sortie de particules chargées accélérées à l'extérieur du cyclotron, configuré pour accélérer des particules chargées à une énergie maximale inférieure à 25 MeV à une échelle plus petite.

Description

1 BE2022/6078

CYCLOTRON

[0001] L'invention concerne un cyclotron, notamment un cyclotron pour application médicale.

[0002] Un cyclotron est un type d'accélérateur de particules circulaire dans lequel des particules chargées positivement ou chargées négativement sont injectées dans le cyclotron par un système d’injections de particules, puis les particules chargées sont accélérées par un système radiofréquence, puis guidées par un système magnétique, en particulier depuis le centre du cyclotron vers l’extérieur de celui-ci, le long d’une trajectoire ayant une forme générale de spirale. Les particules chargées accélérées forment ainsi un faisceau de particules (on peut également parler de faisceau de particules chargées ou de faisceau d'ions). Les particules peuvent atteindre des énergies maximales de l’ordre de quelques

MeV à plusieurs centaines de MeV.

[0003] Les cyclotrons sont aujourd'hui notamment utilisés dans des applications médicales dans le but de produire des produits radiopharmaceutiques comprenant des radionucléides (également appelés isotopes radioactifs ou radioéléments). Un radionucléide est obtenu par réaction nucléaire entre une particule chargée accélérée et un matériau précurseur. Par exemple, l'un des isotopes radioactifs est le fluor-18, qui est obtenu via la réaction nucléaire induite par des protons possédant une énergie cinétique adaptée bombardant l'isotope stable Oxygene-18 ("°O(p,n)'°F) en tant que matériau précurseur. Une fois les isotopes radioactifs créés, les produits radiopharmaceutiques sont fabriqués puis transférés dans un centre médical ou un hôpital afin d'être utilisés dans le cadre d’un traitement ou un diagnostic médical, par exemple par l'imagerie TEP, tomographie par émission de positrons.

[0004] En raison de la courte demi-vie des radionucléides couramment utilisés (par exemple, le fluor-18 a une demi-vie d’environ 110 minutes), il serait plus efficace et plus pratique de construire un cyclotron à l'intérieur des centres médicaux ou des hôpitaux afin de réduire les délais entre la création de l'isotope radioactif et son utilisation. L'électroaimant des cyclotrons connus pour des applications médicales est essentiellement constitué d'acier à faible teneur en carbone. L'induction magnétique à saturation de ces matériaux est généralement limitée à 1,8 T (Tesla). L'énergie maximale des particules accélérées par un cyclotron étant essentiellement proportionnelle au carré du produit B*r (B étant le champ magnétique moyen et r le rayon maximal de la plus grande orbite contenue dans ce champ), dans le but d’augmenter l'énergie des particules chargées, il faut augmenter le rayon des pôles générant le champ magnétique, ce qui entraîne une plus grande masse du cyclotron (qui est essentiellement proportionnelle au cube du rayon).

Par conséquent, les cyclotrons de production de radionucléides sont souvent éloignés des hôpitaux ou des centres médicaux, notamment en raison de leur poids (poids moyen d'au moins St (tonnes), et encore plus avec la masse du blindage encapsulant le cyclotron) et de leur taille (diamètre moyen d'au moins 1m pour les pôles seuls ou empreinte réduite d'au moins 30m) qui rendent difficile ou impossible leur construction à l'intérieur des centres médicaux ou des hôpitaux.

[0005] Il est donc souhaitable de mettre à disposition des cyclotrons qui peuvent être situés au plus près de l'endroit où les produits radiopharmaceutiques sont nécessaires, de

2 BE2022/6078 préférence à l'endroit même où les produits radiopharmaceutiques sont nécessaires, c'est-à- dire à l'intérieur ou à proximité de l'hôpital ou du centre médical.

[0006] Par conséquent, on cherche à concevoir un cyclotron qui soit à la fois plus petit et moins lourd pour être installé à l'intérieur ou à proximité des centres médicaux ou des hôpitaux, tout en restant adapté à la production de particules, par exemple des protons, deutons ou alpha, à une énergie suffisante pour fabriquer des isotopes radioactifs, notamment les isotopes radioactifs couramment utilisés dans l'imagerie ou les traitements médicaux.

[0007] Selon l'un de ses aspects, la présente invention propose un cyclotron de production de radionucléides pour applications médicales tel que défini dans la revendication 1. Selon un autre de ses aspects, l'invention se rapporte également à une méthode de production d’un élément d’un cyclotron en un alliage comprenant du fer et du cobalt. Des aspects supplémentaires de l'invention sont définis dans les revendications indépendantes.

Les revendications dépendantes définissent des modes de réalisation préférés et/ou alternatifs.

[0008] Le principe de fonctionnement d'un cyclotron est régi par la force de Lorenz (F=q.v x B, en l'absence de force électrique) appliquée à une particule chargée. En raison de cette force, lorsqu’un champ magnétique uniforme lui est appliqué, la trajectoire de la particule chargée suit, en l'absence d'accélération, essentiellement un arc de cercle dans un plan perpendiculaire au champ magnétique uniforme.

[0009] Les cyclotrons comprennent des modules distincts tels que : - un électroaimant comprenant une culasse, deux pôles et au moins une bobine,

Vélectroaimant étant configuré pour fournir un champ magnétique ; - un résonateur, notamment un résonateur haute fréquence, qui est configuré pour appliquer une différence de potentiel électrique à une fréquence réglable à la particule afin d’accélérer sa vitesse; et - une entrée de particules comprenant un système d'injection de particules afin de faire entrer des particules chargées dans le cyclotron.

[0010] Le cyclotron peut comprendre une sortie de particules comprenant un système d'extraction des particules hors du cyclotron. Dans cette configuration, la trajectoire du faisceau de particules est déviée par le système d’extraction en dehors du cyclotron via une sortie de particules en direction d’un matériau précurseur. En alternative au système d'extraction, on peut prévoir une cible comprenant le matériau précurseur à l’intérieur du cyclotron. Dans ce cas, le faisceau de particules accélérées reste à l’intérieur du cyclotron.

Le faisceau de particules est constitué de particules chargées qui sont introduites dans un espace au centre ou près du centre du cyclotron via un système d'injection qui peut consister en une source de particules, et ce avec une vitesse initiale (et donc une énergie cinétique) relativement faible.

[0011] Les modules du cyclotron sont configurés pour, en combinaison, accélérer une ou plusieurs particules chargées dans un plan qui est substantiellement perpendiculaire aux lignes de champ magnétique généré, de sorte que la particule chargée se déplace selon une trajectoire substantiellement en spirale de rayon croissant, autour de l'axe central du

3 BE2022/6078 cyclotron, ledit axe central étant perpendiculaire au plan de trajectoire de la particule chargée.

[0012] L'électroaimant comprend deux pôles et une culasse, la culasse encapsulant substantiellement les pôles lorsque le cyclotron est en état de fonctionnement. La culasse est adaptée pour confiner les lignes de champ magnétique à l'intérieur du cyclotron en état de fonctionnement et empêcher les lignes de champ magnétique de se propager à l'extérieur du cyclotron en état de fonctionnement. La culasse peut être constituée de deux ou plus parties de culasse. De préférence, la culasse comprend une première partie de culasse et une seconde partie de culasse qui peuvent être assemblées ensemble dans une configuration fermée pour former la culasse. Lorsque la culasse est dans une configuration fermée, celle-ci fournit une cavité interne dans laquelle les pôles, y compris les pôles comprenant des secteurs optionnels, la (ou les) bobine(s), le résonateur et l'entrée de particules peuvent être installés. Dans une forme préférée de l’invention, la première et/ou la deuxième partie de la culasse est une partie de culasse unitaire.

[0013] En particulier lorsque la culasse comprend une première et une seconde partie de culasse, l’une de la première ou de la seconde partie de culasse est unitaire avec un pôle. De préférence, chaque partie de culasse est unitaire avec un pôle.

[0014] Par unitaire, on entend que l'élément est fabriqué en une seule pièce et non pas à partir de la combinaison de plusieurs éléments fixés ensemble, par exemple par boulonnage ou soudage.

[0015] Un ou chaque pôle de l'électroaimant peut comprendre, sur l'une de ses surfaces principales, en particulier la surface principale du pôle faisant face à l’autre pôle opposé, une pluralité de secteurs, formant une alternance de collines et de vallées, autour de l’axe central du pôle (axe central du pôle qui est de préférence l'axe principal du champ magnétique), faisant varier l'épaisseur du pôle autour de son axe central. Ainsi, lorsque les secteurs sont sur la surface du pôle faisant face au pôle opposé, cela fait varier la géométrie de l’espace situé entre les deux pôles lorsque le cyclotron est en mode de fonctionnement; la forme et la disposition des secteurs sur la surface du ou des pôles permet de corriger le flux magnétique lorsque celui-ci s'éloigne de l'axe central des pôles. L’arrangement des secteurs peut permettre notamment à guider les particules chargées au cours de leur trajectoire accélérée.

[0016] Les secteurs peuvent être fournis en tant qu'éléments séparés du pôle auquel ils sont associés. Lorsque les secteurs sont des éléments séparés, les secteurs peuvent être fixés à une surface principale d’un pôle par boulonnage ou soudage. Alternativement et dans un mode de réalisation préféré, les secteurs et le pôle associé forment une pièce unitaire. La surface latérale séparant une surface de colline et une surface de vallée adjacentes peut être une surface latérale plate ou une surface latérale courbe, voire en spirale.

[0017] Lorsque les secteurs sont des éléments distincts du pôle, chaque secteur peut être fabriqué séparément puis fixé ensuite sur une surface du pôle, notamment par boulonnage, vissage ou soudage. Dans un mode de réalisation préféré, chaque secteur angulaire est fixé à une distance angulaire espacée d'un secteur adjacent, l’espace entre deux secteurs adjacents étant dépourvu de secteur. Alternativement, une pluralité de secteurs agencées autour de l’axe du pôle sont fixés côte à côté sur une surface d’un pôle, avec une alternance entre un secteur de grande épaisseur et un secteur de petite épaisseur.

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Ainsi, les secteurs apportant une grande épaisseur au pôle forment des collines tandis que l'espace angulaire entre deux secteurs de grande épaisseur ou l'espace angulaire dépourvu de secteurs forment des vallées.

[0018] Lorsque les secteurs sont des éléments distincts du pôle, le matériau formant les secteurs et le matériau formant un pôle, en particulier le pôle auquel les secteurs sont associés, sont de préférence sensiblement identiques chimiquement, c'est-à-dire que la différence de composition pour chaque élément chimique du matériau est inférieure à 5%.

Par exemple les secteurs et les pôles peuvent comprendre au moins 80% en poids, consister essentiellement ou consister en un alliage de fer et de cobalt.

Dans un mode de réalisation alternatif, les secteurs peuvent être d’une composition chimique différente. Par exemple, les pôles peuvent comprendre 80% en poids, consister essentiellement ou consister en du fer doux ou de l’acier à faible teneur en carbone tandis que les secteurs peuvent comprendre 80% en poids, consister essentiellement ou consister en de fer doux ou en acier.

[0019] Lorsque les secteurs et le pôle forment une pièce unitaire, le pôle est usiné sur une de ses surfaces de manière à réduire son épaisseur à des espaces angulaires afin de former des collines (épaisseur locale du pôle non ou faiblement réduite) et des vallées (épaisseur locale du pôle fortement réduite) autour de l’axe du pôle. Dans cette configuration, la partie du pôle d'épaisseur réduite forme les vallées tandis que la partie du pôle d'épaisseur moins réduite forme les collines.

[0020] Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l’électroaimant comprend deux pièces unitaires substantiellement identiques formées chacune d’une partie de culasse, d’un pôle et optionnellement de secteurs formant des collines et des vallées autour de l’axe principal du pôle. En particulier si les collines et les vallées formées par les secteurs sont spiralées, les deux pièces unitaires sont substantiellement symétriques.

[0021] Quand des secteurs formant des collines et des vallées sont présents, le nombre minimal de secteurs est de 3 (formant ainsi 3 collines et 3 vallées).

[0022] De préférence, chaque pôle a une forme cylindrique. En particulier, lorsqu'un ou chaque pôle a une forme cylindrique, le diamètre d'un ou de chaque pôle est supérieur au diamètre des électrodes d'accélération. Cette différence de diamètre permet que les électrodes d’accélération subissent, lorsque le cyclotron est en état de fonctionnement, un champ magnétique substantiellement uniforme selon un seul axe principal, notamment un axe parallèle à l’axe principal du pôle. Dans un mode de réalisation préféré, le diamètre d'un ou de chaque pôle est = 1,5 m, < 1 m, < 0,9 m, < 0,75 mou < 0,6 m.

[0023] Le résonateur, comprenant des électrodes d'accélération (également appelées

Dés ou "Dees" en anglais), est de préférence un résonateur à haute fréquence. Par « haute fréquence » on entend que le résonateur est capable de varier la polarité d’une électrode à une fréquence d’au moins 15 MHz. Pour accélérer la particule chargée, le résonateur génère une tension alternative sur les électrodes d'accélération. En particulier, lorsque le cyclotron est un cyclotron isochrone, la fréquence de la tension alternative appliquée aux électrodes d'accélération est réglée sur la fréquence du cyclotron qui ne dépend que du champ magnétique et du type de particule accélérée. Le résonateur peut comprendre au moins une deux, trois, quatre électrodes d'accélération ou plus, chaque électrode d'accélération étant espacée de l’électrode adjacente dans un plan perpendiculaire aux lignes de champ magnétique. L'augmentation du nombre d'électrodes d'accélération permet d'obtenir un même gain d'énergie de la particule avec une différence de potentiel appliquée aux électrodes d'accélération réduite proportionnellement à ce nombre. 5 La fréquence "cyclotron" ou cyclotronique des particules est donnée par la relation fondamentale du cyclotron: o=q*B/m (0=2*pi*F). Par exemple, pour un proton (une unité de masse et une unité de charge) dans un champ magnétique d'intensité 1 Tesla, la fréquence de révolution est de 15,25 MHz. La fréquence du résonateur peut être un multiple entier de la fréquence de révolution.

[0024] Les électrodes d'accélération peuvent être positionnées dans l'espacement entre les deux surfaces opposées des pôles. Alternativement, en particulier lorsque le(s) pole(s) comporte(nt) des secteurs formant des collines et des vallées, les électrodes d'accélération peuvent être situées dans les vallées. Cette dernière configuration permet de diminuer l'entrefer et de créer un champ magnétique en injectant moins de courant au sein de la bobine ou des bobines. Puisque la puissance dissipée par la bobine est proportionnelle au carré de l'intensité du courant d'entrée, il est particulièrement utile de diminuer la quantité de courant d'entrée.

[0025] De préférence, une, deux ou plusieurs bobines sont disposées à l'intérieur de la cavité formée par la culasse quand la culasse est en configuration fermée. De préférence, un évidement est prévu dans la culasse afin de pouvoir disposer la ou les bobines durant le montage du cyclotron. De préférence, la ou les bobines fait entièrement le tour des pôles.

Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, l’électroaimant a une unique bobine. En particulier lorsque l’électroaimant comprend une unique bobine, la longueur de la bobine le long de l'axe central peut chevaucher les épaisseurs des deux pôles. Lorsque le cyclotron comprend deux bobines, chaque bobine peut s'étendre entièrement autour de chacun des deux pôles. Lorsque le cyclotron comprend deux bobines, la longueur d'une ou de chaque bobine le long de l'axe central peut être inférieure à la longueur de son pôle respectif. En variante, la longueur d'une ou de chaque bobine le long de l'axe central peut être égale ou supérieure à la longueur de son pôle respectif. De préférence, les deux bobines ont une longueur et/ou une conductivité électrique substantiellement identique. De préférence, les deux bobines sont disposées de manière symétrique par rapport au plan médian des pôles.

[0026] L’électroaimant peut comprendre d'autres bobines de correction afin de corriger le profil du champ magnétique. La bobine, notamment chaque bobine du cyclotron, est de préférence constituée essentiellement d'un matériau conducteur électrique, notamment un matériau conducteur choisi parmi le cuivre, un alliage de cuivre, l'aluminium, un alliage d'aluminium, ou tout métal ou alliage présentant une résistivité électrique inférieure à 1x107°

Om à 20°C. Un matériau ayant une résistivité électrique faible est recherché afin de diminuer les pertes d'énergie par effet Joule lors de son fonctionnement. Dans un mode préféré de réalisation, la ou chaque bobine est dépourvue ou substantiellement dépourvue de matériau supraconducteur. En variante, la bobine peut comprendre, consister ou consister essentiellement en un matériau supraconducteur, notamment un matériau supraconducteur à haute température, c’est-à-dire un matériau ayant des propriétés supraconductrices à une température supérieure à 77K.

[0027] Les particules chargées accélérées peuvent être des particules chargées positives, par exemple des protons H+. Les particules chargées accélérées peuvent être des

6 BE2022/6078 particules chargées négatives, par exemple des H-. Les particules chargées peuvent être choisies parmi les ions de protium (hydrogène sans neutron), de deutérium (hydrogène dont le noyau comporte un proton et un neutron), d'hydrogène moléculaire, ou les ions d'hélium.

Alternativement, les particules chargées accélérées peuvent être des ions plus lourds, par exemple des ions de carbone.

[0028] Le cyclotron peut être configuré pour produire des particules chargées accélérées ayant une énergie maximale inférieure à 70MeV, inférieure à 30MeV, inférieure à 20MeV, inférieure à 15MeV, inférieure à 10MeV ou inférieure à 8MeV. Dans un mode de réalisation préféré, le cyclotron est configuré pour produire des particules accélérées avec une énergie maximale dans la gamme de 6-30MeV, de préférence dans la gamme de 6- 10MeV.

[0029] Un ou chaque pôle du cyclotron a de préférence un diamètre d'au moins 25 cm, d’au moins 35 cm, d'au moins 50 cm, d'au moins 70 cm et/ou inférieur à 200 cm, inférieur à 150 cm, inférieur à 120 cm, inférieur à 100 cm ou inférieur à 80 cm.

[0030] Le cyclotron présente de préférence les caractéristiques combinées suivantes : - un ou chaque pôle a un diamètre d'au moins 25cm et de moins de 100cm, de préférence de moins de 80cm ; et - le cyclotron est configuré pour produire des particules chargées accélérées ayant une énergie maximale inférieure d’au moins 6 MeV et de moins de 20 MeV, de préférence de moins de 15 MeV.

[0031] Les radionucléides peuvent être choisis parmi l'azote-13, l'oxygène-15, le Sc-43, le carbone-11, le fluor-18, le sodium-22, le cuivre-64, le gallium-68 ou le brome-77. En particulier, lorsque le cyclotron produit des particules accélérées de moins de 6 MeV, les radionucléides peuvent être l'azote-13, l'oxygène-15, le Sc-43. En particulier, lorsque le cyclotron produit des particules accélérées d'au moins 6 MeV et de moins de 15 MeV, les radionucléides peuvent être le carbone-11, le fluor-18, le sodium-22, le cuivre-64, le gallium- 68 ou le brome-77.

[0032] Un ou chaque pôle de l'électroaimant peut comprendre, consister ou consister essentiellement en un matériau ayant une saturation magnétique d'au moins 1,95 T, de préférence d'au moins 2 T, plus préférablement d'au moins 2,2 T, et encore plus préférablement d'au moins 2,3 T. Le matériau est de préférence un alliage de fer et de cobalt.

[0033] Tel qu'utilisé ici, le terme "consiste essentiellement en" est destiné à limiter la portée d'une revendication aux matériaux ou étapes spécifiés et à ceux qui n'affectent pas matériellement la ou les caractéristiques fondamentales et nouvelles de l'invention revendiquée.

[0034] Dans un mode de réalisation préféré, un ou chaque pôle de l'électroaimant comprend au moins 90% en poids, de préférence 95% en poids et plus préférablement au moins 99% en poids d'un matériau ayant une saturation magnétique d'au moins 1,95 T, de préférence d'au moins 2 T, plus préférablement d'au moins 2,2 T, et encore plus préférablement d'au moins 2,3 T. Le matériau est de préférence un alliage de fer et de cobalt.

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[0035] Un ou chaque pôle de l'électroaimant est de préférence un pôle en alliage de fer et de cobalt. Il a été constaté que l'alllage de fer et de cobalt fournit une saturation magnétique plus élevée que l'électroaimant en acier à faible teneur en carbone.

[0036] Un élément ou une combinaison d’éléments sélectionné parmi : la culasse, un ou chaque pôle, les secteurs optionnels peuvent comprendre au moins 50% en poids, au moins 60% en poids, au moins 70% en poids, au moins 80% en poids, au moins 90% en poids, au moins 95% en poids, au moins 99% en poids d’un alliage de fer et de cobalt. De préférence, un ou une combinaison parmi: la culasse, un ou chaque pôle, les secteurs optionnels comprend au moins 90% en poids, de préférence au moins 95% en poids, encore plus préférablement au moins 99% en poids d’un alliage de fer et de cobalt.

[0037] L'alliage de fer et de cobalt peut comprendre du cobalt dans la gamme de 14 à 55% en poids ou de 14 à 50 % en poids, de préférence dans la gamme de 20 à 30 % en poids, le reste étant du fer et des impuretés inévitables. Des exemples d'alliage de fer et de cobalt sont connus sous les noms suivants : - Hiperco 15 (qui comprend du cobalt à hauteur de 14-15% en poids, le reste étant du fer et des impuretés inévitables). L’Hiperco 15 présente une saturation à 2,25 T ; - Aperam IMPHY AFK 18 (qui comprend du cobalt à hauteur de 17-19% en poids, le reste étant du fer et des impuretés inévitables). Cet alliage présente une saturation à 2,3 T ; - Vacoflux 17 (qui comprend du cobalt à hauteur de 16-18% en poids, le reste étant du fer et des impuretés inévitables) ; - Hiperco 27 (qui comprend du cobalt à hauteur de 26-28% en poids, le reste étant du fer et des impuretés inévitables) ; - Permendur (qui comprend des parts sensiblement égales de cobalt et de fer, notamment à hauteur de 48-50% en poids, éventuellement un élément additif en une quantité inférieure à 5% en poids tel que le vanadium, et des impuretés inévitables).

Dans un mode de réalisation préféré, l'alliage de fer et de cobalt comprend entre 26 et 28% de cobalt, le reste étant du fer et des impuretés inévitables. Dans un mode de réalisation préféré, tous les éléments choisis parmi les pôles et la culasse, notamment, lorsqu'ils sont applicables, la première partie de la culasse et la deuxième partie de la culasse, sont des éléments en alliage de fer et de cobalt.

[0038] La culasse, notamment les première et deuxième parties de la culasse, peut comprendre, consister ou consister essentiellement en un matériau ayant une saturation magnétique d'au moins 1,95 T, de préférence d'au moins 2 T, plus préférablement d'au moins 2,2 T, et encore plus préférablement d'au moins 2,3 T.

[0039] Dans un mode de réalisation préféré, la culasse, notamment la première et la deuxième partie de culasse, comprend au moins 90 % en poids, de préférence 95 % en poids et plus préférablement au moins 99 % en poids d'un matériau ayant une saturation magnétique d'au moins 1,95 T, de préférence d'au moins 2 T, plus préférablement d'au moins 2,2 T, et encore plus préférablement d'au moins 2,3 T. De préférence, le matériau de la culasse est un alliage de fer et de cobalt.

[0040] Dans un mode de réalisation préféré, la culasse, en particulier les première et deuxième parties de la culasse, et chaque pôle peuvent comprendre, consister ou consister essentiellement en un matériau ayant une saturation magnétique d'au moins 1,95T, de

8 BE2022/6078 préférence d'au moins 2T, plus préférablement d'au moins 2,2T, et encore plus préférablement d'au moins 2,3 T, notamment en un alliage de fer et de cobalt.

[0041] Lorsque chaque pôle, et éventuellement la culasse, sont faits d'un matériau ayant une saturation magnétique d'au moins 1,95 T ou d'au moins 2 T, de préférence d'au moins 2,2 T, plus préférablement d'au moins 2,3 T, il est possible de i) pour un même rayon, obtenir une particule chargée avec une énergie plus élevée, ou ii) obtenir une énergie maximale sur un pôle de plus petit rayon.

[0042] Les autres éléments constitutifs du cyclotron (autre que la culasse, les pôles et la ou les bobines) peuvent être fabriqués avec les matériaux usuels.

[0043] La forme d'un élément de cyclotron, en particulier la culasse ou un ou chaque pôle, est de préférence obtenue par pressage isostatique à chaud d'un alliage de fer et de cobalt sous forme particulaire. De préférence, les particules d’alliage peuvent avoir une composition consistant ou consistant essentiellement en du cobalt dans la gamme de 14 à 55% en poids ou de 20 à 55% en poids, de préférence dans la gamme de 20 à 30 % en poids, le reste étant du fer et des impuretés inévitables. Les particules d'alliage de fer et de cobalt peuvent avoir une taille particulaire moyenne inférieure à 100um, de préférence une taille moyenne dans la gamme 40-90um. Dans les cyclotrons précédents, l'alliage de fer et de cobalt n'était utilisé qu'en petites pièces telles que des inflecteurs ou un anneau à la périphérie d'un pôle, car il n'était pas possible de fabriquer de grandes pièces de cet alliage.

Ce procédé de fabrication préféré présente une pluralité d'avantages, par exemple: - il améliore les propriétés mécaniques et l'ouvrabilité de l'alliage ; - il améliore l'homogénéité de l'alliage:; - il assure des propriétés magnétiques isotropes et reproductibles ; - il permet de produire un alliage de forme plus complexe et/ou plus large et notamment de produire des éléments unitaires, par exemple, un pôle ou une combinaison d'une partie d'une culasse et d'un pôle ; - il permet d'obtenir des pièces plus petites et plus légères avec des performances similaires ou supérieures, en comparaison avec des pièces similaires en acier à faible teneur carbone.

[0044] Un autre avantage de l’invention est de simplifier les opérations de réglage du profil de champ magnétique (en anglais, field mapping and trimming) car la réduction de taille permet notamment d'installer une fraiseuse sur les pièces de l’aimant (in situ) contrairement à la technique conventionnelle qui demande que les pièces soient démontées, transportées et installées sur une fraiseuse dans un atelier d'usinage.

[0045] La fabrication d'éléments de cyclotron tels que les pôles et/ou la culasse avec un alliage de fer et de cobalt, en particulier par un procédé de pressage isostatique à chaud d’alliage de fer et de cobalt, permet également de reproduire à plus petite échelle les conceptions précédentes de cyclotrons existants. En outre, les vides à l'intérieur d'une pièce moulée peuvent être réduits ou éliminés et les poudres encapsulées peuvent être consolidées pour créer des matériaux entièrement denses. Des matériaux dissemblables peuvent également être assemblés pour fabriquer des éléments uniques et rentables.

[0046] En variante, la culasse et/ou un ou chaque pôle, ainsi que d'autres éléments des cyclotrons peuvent être fabriqués selon d’autres procédés de fabrication, par exemple : le moulage, le forgeage, le laminage, l’usinage par enlèvement de matière (par exemple

9 BE2022/6078 fraisage, tournage ou électroérosion), la production par fabrication additive (FA ou en anglais

AM, additive manufacturing), aussi connue comme impression 3D, l'impression 3D par SLS (en anglais selective laser sintering, frittage sélectif par laser), l'impression 3D avec des poudres métalliques. L'avantage de la réalisation par FA est de produire une pièce quasi finie (en anglais, net shape) économisant la matière nécessaire à la fabrication et éliminant quasi toute opération d'usinage ultérieure.

[0047] Le cyclotron est de préférence un cyclotron isochrone (c’est-à-dire que l'intensité moyenne du champ magnétique varie avec le rayon tandis que la fréquence du résonateur reste constante). Contrairement à un cyclotron classique, un cyclotron isochrone est capable de produire des particules de plus grande énergie. Alternativement le cyclotron peut être un synchro-cyclotron.

[0048] Un bouclier de blindage radiologique peut en outre encapsuler le cyclotron. Le bouclier de blindage radiologique permet d'arrêter ou d'atténuer fortement les rayonnements ionisants inévitablement produits pendant le fonctionnement du cyclotron. Le cyclotron dépourvu de bouclier de blindage radiologique peut avoir une masse inférieure à 5 tonnes, de préférence inférieure à 2 tonnes. La masse totale du cyclotron et du bouclier de blindage radiologique est de préférence inférieure à 20 tonnes.

[0049] Un système de pompage pour créer le vide est de préférence prévu pour réduire le vide à l'intérieur du cyclotron avant la mise en fonctionnement du cyclotron. De préférence, le système de vide permet d'obtenir une pression lorsque le cyclotron est en état de fonctionnement de moins de 107% mbar (0.01 Pa).

[0050] Selon un autre de ses aspects, l'invention se rapporte également à une méthode de production d’un élément d’un cyclotron en un alliage comprenant du fer et du cobalt. La méthode comprenant : - mettre à disposition un alliage de fer et de cobalt sous forme particulaire ; et ensuite - soumettre l’alliage de fer et de cobalt sous forme particulaire à un procédé de pressage isostatique à chaud, dans lequel l’élément d’un cyclotron est sélectionné parmi un pôle, un secteur d’un pôle, une partie d’une culasse et une combinaison de ceux-ci.

[0051] De préférence, soumettre l’alliage de fer et de cobalt sous forme particulaire à un procédé de pressage isostatique à chaud comprend soumettre l’alliage de fer et de cobalt sous forme particulaire à - une pression d’au moins 50MPa, d’au moins 100 MPa et/ou de moins de 300MPa, de moins de 250MPa ; et/ou - une température d’au moins 400°C, d’au moins 600°C, d’au moins 800°C et/ou de moins de 1300°C, de moins de 1000°C.

[0052] Un mode de réalisation de l'invention va maintenant être décrit, à titre d'exemple seulement, en référence aux dessins ci-joints, parmi lesquels - Fig 1 est une vue en coupe perspective d'un cyclotron selon un mode de réalisation de l'invention ; - Fig 2 est une vue supérieure d'une partie inférieure d'un cyclotron de Fig 1 ; - Fig 3 est une vue en coupe selon une première coupe d'un cyclotron en position « fermée » selon un second mode de réalisation de l'invention :

10 BE2022/6078 - Fig 4 est une vue en coupe selon une deuxième coupe du cyclotron de Fig 3 en position « ouverte » ; - Fig 5 est un graphique de l’induction magnétique en fonction de l’aimantation entre un acier à faible teneur en carbone et un alliage consistant 27% en poids de cobalt, le reste étant du en poids de fer d’inévitables impuretés.

[0053] Une matière première d’un alliage de fer et cobalt est réduite en une poudre d’un alliage de fer et cobalt comprenant environ 27% en poids de cobalt, le reste étant du fer et des impuretés inévitables. La poudre d'alliage de fer et de cobalt est traité par pressage isostatique à chaud et mis en forme pour former les éléments du cyclotron 1 de Fig 1: - une culasse 2 constituée d'une première partie de culasse 2a et d'une seconde partie de culasse 2b. Chacune des première et seconde parties de la culasse a la forme d'un disque et les première et seconde parties de la culasse se font face dans la direction d'extension d'un axe central C. Une cavité interne dans laquelle des pôles et la bobine peuvent être disposés est formée lorsque la culasse est en configuration fermée ; les parties de culasse sont essentiellement symétriques par rapport au plan médian (qui est aussi le plan dans lequel le faisceau de particules est accéléré) ; - deux pôles 3a, 3b, un pôle étant unitaire avec la surface intérieure de chacune de la première partie de la culasse 2a et de la seconde partie de la culasse 2b.

[0054] Chaque pôle comprend une pluralité de secteurs formant des collines 4b et des vallées 5b autour de l'axe central. Les électrodes d'accélération (non représentées) sont disposées à l'intérieur des vallées, entre deux collines.

[0055] Autour de chaque pôle est prévue un évidement 7 apte à recevoir une seule bobine de cuivre 8 de manière à entourer les deux pôles. Les dimensions de la partie supérieure et de la seconde partie de la culasse sont substantiellement identiques. Les dimensions de chaque pôle sont substantiellement identiques.

[0056] Chaque pôle a un diamètre d'environ 50 cm.

[0057] Des ouvertures 6 propres à l'évacuation de l'air pour obtenir un vide suffisant ainsi qu’au passage d’éléments du cyclotron, par exemple le résonateur, sont présentes.

D'autres éléments tels qu'une unité de puissance, une unité de contrôle commande, une source d'énergie, une alimentation électrique pour la bobine, une source de radiofréquence pour exciter le résonateur, une entrée de particules, un système de vide sont également fournis (non représentés).

[0058] Comme illustré dans Fig 3 et Fig 4, chaque partie de la culasse 2a, 2b peut être en 2 pièces séparées fixées ensemble, l’une des pièces étant une section périphérique 9a, 9b, également nommées retour de flux, entourant une portion de la bobine 8. Quand le cyclotron 1 est en position de fonctionnement, les deux sections périphériques 9a, 9b entourent substantiellement la bobine 8.

[0059] Fig 3 est une vue en coupe plane selon l'axe central et la bissectrice des vallées.

Fig 4 est une vue en coupe selon la bissectrice des secteurs formant les collines.

11 BE2022/6078

[0060] Le présent cyclotron 1, comprenant une culasse et des pôles en alliage de fer et de cobalt, est comparé à un cyclotron comparatif dans lequel la culasse et les pôles sont en acier à faible teneur en carbone :

JE es EE l’art antérieur présente invention culasse carbone 73% en poids de fer particules chargées

Puissance électrique | 37kW <7KW

Ed M N bouclier de blindage radiologique)

Masse totale (avec le) 47t <15t se ma OR radiologique)

[0061] Références dans les figures 1: culasse 2a, 2b: parties de culasse ; 3a, 3b: pôles 6: ouvertures 7: évidement

C axe central 4a, 4b: secteurs formant des "collines " magnétiques 5a, 5b: secteurs formant des vallées

PM: le plan médian

D: diamètre de la culasse

Rp: rayon des pôles e: épaisseur d'une partie de culasse 8: bobine d'induction

Sa et 9b: section de culasse (retour de flux)

Claims

12 BE2022/6078 REVENDICATIONS

1. Cyclotron pour la production de radionucléides pour applications médicales, le cyclotron comprenant - Un électroaimant configuré pour fournir un champ magnétique, l'électroaimant comprenant une culasse, deux pôles et au moins une bobine ; - un résonateur, notamment un résonateur haute fréquence, configuré pour accélérer la vitesse d’une particule chargée ; et dans lequel chaque pôle est choisi parmi ij) un pôle comprenant au moins 80% en poids d'un matériau ayant une saturation magnétique d'au moins 1,95 T ; ou ii) un pôle comprenant au moins 80% en poids d’un alliage de fer et de cobalt, notamment un alliage de fer et de cobalt comprenant de 14 à 55 % en poids de cobalt, de préférence de 20 à 50% en poids de cobalt, le reste étant du fer et des impuretés inévitables : et où la bobine est sélectionnée parmi : - une bobine substantiellement dépourvue de matériau supraconducteur ; ou - une bobine comprenant un matériau ayant des propriétés supraconductrices à une température supérieure à 77K.

2. Cyclotron selon la revendication 1, dans lequel la culasse de l’électroaimant comprend une première partie de culasse et une deuxième partie de culasse, la première et la seconde partie de culasse étant configurées pour être assemblées ensemble dans une configuration fermée.

3. Cyclotron selon la revendication 2, dans lequel - la première partie de culasse est une première partie de culasse unitaire ; et/ou - la seconde partie de culasse est une seconde partie de culasse unitaire.

4. Cyclotron selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un ou chaque pôle comprend des secteurs sur l’une de ses surfaces principales, les secteurs formant une alternance de collines et de vallées.

5. Cyclotron selon la revendication 4, dans lequel les secteurs d’un pôle sont unitaires avec le pôle.

6. Cyclotron selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la culasse et chaque pôle comprend au moins 90% en poids, de préférence au moins 95% en poids, et encore plus préférablement au moins 99% en poids d’un alliage de fer et de cobalt.

7. Cyclotron selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la culasse comprend un alliage de fer et de cobalt ; et l'alllage de fer et de cobalt de la culasse et de chaque pôle comprend du cobalt dans la gamme de 14 à 55% en poids, de préférence dans la gamme de 20 à 30% en poids, le reste étant du fer et des impuretés inévitables. P1501-BE FeCotron

13 BE2022/6078

8. Cyclotron selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la masse du cyclotron dépourvu d’un bouclier de blindage radiologique est inférieure à 3 tonnes.

9. Cyclotron selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la culasse et/ou la pluralité de pôles et/ou les secteurs des pôles si présents sont formés ij) par pressage isostatique à chaud de particules d'alliage de fer et de cobalt ; et/ou ii) par fabrication additive d’une matière première adaptée à la fabrication additive en alliage de fer et de cobalt .

10. Cyclotron selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le cyclotron est configuré pour produire des particules chargées à une énergie maximale d'au moins 6Mev et inférieure à 25MeV, de préférence inférieure à 15MeV.

11. Cyclotron selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le diamètre d'un ou de chaque pôle est < 1, m, de préférence < 0.75 m, encore plus préférentiellement < 0,6 M.

12. Méthode de production d’un élément d’un cyclotron en un alliage comprenant du fer et du cobalt, le cyclotron étant un cyclotron selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, la méthode comprenant : - mettre à disposition un alliage de fer et de cobalt sous forme particulaire ; et ensuite - soumettre l’alliage de fer et de cobalt sous forme particulaire à un procédé de pressage isostatique à chaud, dans lequel l’élément d’un cyclotron est sélectionné parmi un pôle, un secteur d’un pôle, une partie d’une culasse et une combinaison de ceux-ci.

13. Méthode selon la revendication 12, dans laquelle soumettre l’alliage de fer et de cobalt sous forme particulaire à un procédé de pressage isostatique à chaud comprend soumettre l’alliage de fer et de cobalt sous forme particulaire à - une pression d'au moins 50MPa, d’au moins 100 MPa et/ou de moins de 300MPa, de moins de 250MPa ; et/ou - une température d’au moins 400°C, d’au moins 600°C, d’au moins 800°C et/ou de moins de 1300°C, de moins de 1000°C.

14. Méthode de production d’un élément d’un cyclotron en un alliage comprenant du fer et du cobalt, le cyclotron étant un cyclotron selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, la méthode comprenant : - mettre à disposition une matière première adaptée à la fabrication additive en alliage de fer et de cobalt ; et - soumettre la matière première en alliage de fer et de cobalt à un procédé de fabrication additive.

15. Utilisation d'un matériau en alliage de fer et de cobalt pour fabriquer au moins 80% en poids d’un pôle et optionnellement au moins 80% d’une culasse d’un cyclotron afin de réduire la taille et le poids du cyclotron, et notamment dans laquelle le cyclotron est un cyclotron pour la production de radionucléides pour applications médicales. P1501-BE FeCotron

14 BE2022/6078

16. Utilisation selon la revendication 15, dans laquelle l’alliage de fer et de cobalt comprend du cobalt dans la gamme de 14 à 55% en poids, de préférence dans la gamme de 20 à 30% en poids, le reste étant du fer et des impuretés inévitables. P1501-BE FeCotron