Les quatre accélérateurs du PSI

Comment fonctionne l’accélération

Des champs électriques donnent encore et encore une poussée aux particules chargées – dans un accélérateur circulaire à chaque tour, dans un accélérateur linéaire dans de nombreuses sections successives.
Des aimants guident les particules sur leur trajectoire ou les maintiennent sur un cercle.
Chaque fois qu’une particule chargée est déviée, elle émet de la lumière : la lumière synchrotron. Plus la particule est rapide (énergétique) et plus la déviation est forte, plus la lumière est dure (courte longueur d’onde) et brillante – jusqu’aux rayons X.
Les protons rayonnent beaucoup moins que les électrons de même énergie, car ils sont environ 1836 fois plus lourds (le rayonnement diminue avec la puissance quatre de la masse). C’est pourquoi on utilise des électrons comme sources de lumière (SLS, SwissFEL) et des protons pour produire d’autres particules et pour la thérapie (HIPA, PROSCAN).

HIPA – accélérateur de protons à haute intensité

Protons de 590 MeV

Trois étages (Cockcroft-Walton, cyclotron Injecteur 2, cyclotron en anneau) portent les protons à 79 % de la vitesse de la lumière, avec jusqu’à 2,4 mA (1,4 MW) – record mondial pour les installations à cyclotron. Le faisceau produit des neutrons (SINQ), des muons (SμS) et des pions pour la recherche sur les matériaux et la physique des particules.

Pions et muons : le faisceau frappe d’abord deux roues de graphite en rotation, la cible M (5 mm) et la cible E (40 mm). Il s’y forme des pions qui se désintègrent en muons. La source de muons SμS utilise ces muons, notamment pour des mesures μSR (les muons comme minuscules sondes de champ magnétique dans les matériaux). Dans les années 1980, les cibles étaient en béryllium ; elles n’ont pas résisté au faisceau et sont en graphite depuis les années 1990. HIMB (High-Intensity Muon Beams) est prévu, avec environ 100 fois plus de muons.

Isotopes pour la médecine : les protons de HIPA servent aussi directement à produire des isotopes radioactifs ; c’est déjà le cas aujourd’hui à la station d’irradiation IP2 avec une partie du faisceau de 72 MeV. À cet effet est construit TATTOOS (« Targeted Alpha Tumour Therapy and Other Oncological Solutions »), une nouvelle installation qui dirige une partie du faisceau de 590 MeV (environ 100 µA) sur des cibles de tantale. La construction et la mise en service sont prévues pour 2029–2032, avec l’Université et l’Hôpital universitaire de Zurich. Les premiers produits seront les isotopes de terbium Tb-149, Tb-152 et Tb-155.

Tb-149 : thérapie alpha (détruit les cellules tumorales à courte distance)
Tb-152 : imagerie TEP (PET)
Tb-155 : imagerie TEMP (SPECT)
Tb-161 : thérapie bêta ; déjà utilisé dans des études à l’Hôpital universitaire de Bâle, mais produit avec des neutrons hors du PSI, pas avec HIPA

L’idée s’appelle théranostique : le même élément d’abord pour repérer la tumeur, puis pour l’irradier de manière ciblée de l’intérieur.

Lieu : PSI Ouest (coordonnée exacte introuvable dans OSM, point approximatif). Sources : psi.ch – HIPA, psi.ch – Targets, Cibles à mésons (historique du béryllium), psi.ch – TATTOOS, psi.ch – TATTOOS (IMPACT), psi.ch – Radiopharmacie (calendrier), Sci. Rep. 2024 (isotopes Tb), Kiselev (HIMB)

PROSCAN / COMET – protonthérapie

Protons de 250 MeV

COMET est un cyclotron supraconducteur, en service depuis 2007, uniquement pour la médecine. Un ralentisseur en graphite règle l’énergie entre 70 et 250 MeV, selon la profondeur de la tumeur. Les traitements ont lieu au Gantry 2, au Gantry 3 et à la station ophtalmique OPTIS2.

Lieu : PSI Ouest, Centre de protonthérapie (OSM « Proton Therapy (WPTA) »). Sources : Kiselev 2021 (PSI), Cyclotrons 2007

SLS – Swiss Light Source

Électrons de 2,7 GeV

Anneau de stockage de 288 m de circonférence. Depuis la transformation en SLS 2.0 (arrêt à partir d’octobre 2023, environ 15 mois), il fonctionne à 2,7 GeV au lieu de 2,4 GeV auparavant, avec une lumière environ 100 fois plus brillante. La lumière naît dans des aimants de courbure (large spectre, p. ex. superbends) et dans des onduleurs : des rangées d’aimants qui font slalomer les électrons et produisent ainsi une lumière très brillante à des longueurs d’onde choisies.

Exemples : cristallographie des protéines aux lignes de lumière PXI, PXII et PXIII (structure des protéines, p. ex. pour des médicaments). Tomographie à S-TOMCAT et I-TOMCAT (images 3D aux rayons X jusqu’à moins d’un micromètre).

Sources : psi.ch – Storage ring, Willmott 2024 – SLS 2.0, psi.ch – TOMCAT

SwissFEL – laser à électrons libres à rayons X

électrons jusqu’à env. 6 GeV

Un accélérateur linéaire de 740 m. Les électrons traversent ensuite de longs onduleurs (Aramis : 12 sur 60 m) et émettent des éclairs de rayons X cohérents, semblables à un laser, qui ne durent que 1 à 60 femtosecondes. Aramis (rayons X durs) fonctionne entre 2,2 et 6,2 GeV (conception : max. 5,8 GeV), Athos (rayons X mous) à environ 3 GeV.

Lieu : dans la forêt de Würenlingen, attenante au site du PSI (rive est de l’Aar, commune de Würenlingen). Sources : psi.ch – SwissFEL, Paraliev 2022

Les sites figurent aussi dans la liste GPS de la page PSI.