Historiquement, le développement des sources d’ions et des technologies dédiées aux accélérateurs au niveau national a mené à la création de l’entreprise PANTECHNIK en 1991 afin d’exploiter les licences des brevets déposés par le GANIL, puis plus largement de l’IN2P3 et du CNRS. De multiples contrats et accords de collaboration ont été signés entre le LPSC et cette entreprise depuis 1999. On peut donner pour exemple la R&D sur ‘Microgan Industrie’ afin de produire des faisceaux intenses de bore (>1mA), la vente de deux boosters de charge ECR : l’un à CRLC Daresbury, l’autre à TRIUMF-Vancouver pour la multi-ionisation en ligne des ions radioactifs. Au-delà de cette action de valorisation initiale, de multiples projets ont vu le jour, en voici les exemples les plus marquants :
Développement des sources d’ions ECR compactes
Fin 2008, un nouveau type de micro décharge ECR fonctionnant à très basse puissance de micro-ondes injectées (jusqu’à 200 mW) a été développé. Le principe de cette décharge dénommée COMIC (COmpact MIcrowave Coaxial) a été breveté en tant que « SOURCE DE PLASMA GAZEUX BASSE PUISSANCE », brevet N° 08/57068 du 17 Octobre 2008. Cette décharge peut travailler aussi bien comme source de plasma que comme source d’ions et est totalement placée sous vide. Les dimensions de ce dispositif sont de l’ordre de quelques centimètres seulement. Pour les ions gazeux, jusqu’à 1mAe peuvent être extraits grace à une puissance micro-ondes de 5W (2.45 GHz) délivrée par un émetteur HF très simple et très peu coûteux (état solide). La densité de courant est de 1 à 10 mA/cm2 (Figure 1). L’intérêt principal de ce type de dispositif est de rendre possible la réalisation d’un réseau de décharges de forme arbitraire (une décharge tous les 3 cm) dans le but de former soit un système de génération de plasma pour les traitements de surfaces (Figure 2) soit des sources de faisceaux larges (à plus haute énergie). Des plasmas de grande surface peuvent être produits à partir de générateurs à très bas coût qui émettent de petites décharges indépendantes permettant l’éventuel mélange de différentes espèces. Les applications industrielles sont en cours de développement pour l’implantation en surface, les dispositifs de nano fabrication, les systèmes d’analyse de surface ou de sputtering. Le financement pour construire le démonstrateur industriel a été obtenu auprès de feu Grenoble Alpes Innovation et Incubation qui a intégré la SATT Grenoble Alpes en tant que Linksium.
Figure 1 : Faisceau de xénon produit avec une source COMIC (4W)
Figure 2: Réseau de micro-décharges pour traitement de surfaces
Création de start-up
Le développement des sources d’ions ECR compactes a permis la création de la startup PolygonPhysics qui est hébergée au laboratoire. Celle-ci commercialise des sources d'ions et d'électrons ultra compactes, des machines pour le traitement de surface par implantation ionique, ainsi que des machines de dépôts de couches minces.
Sources d’Ions pour implanteurs
Un contrat de recherche, accompagné d’une Bourse de Docteur Ingénieur (2007-2010), a été signé entre la société PANTECHNIK et le LPSC en vue du développement de sources ECR à aimants permanents fonctionnant à 2.45 GHz pour l’implantation ionique. Une ligne de tests (Figure 3) pour sources d’ions haute intensité a été construite afin d’évaluer les potentiels de production de diverses sources. Cette ligne inclut un spectromètre de masse à 45° ainsi qu’un solénoïde disposé directement après l’extraction afin d’adapter le faisceau d’intérêt au spectromètre. L’un des objectifs des expériences est d’améliorer l’intensité des faisceaux extraits et la fiabilité du système d’injection des micro-ondes d’un prototype de la société PANTECHNIK. La ligne de faisceau sera ensuite utilisée pour tester un nouveau prototype récemment développé et spécifiquement dédié au marché de l’implantation ionique.
Figure 3 : Ligne de test pour sources hautes intensités
Hadronthérapie
Le traitement du cancer par ions carbone a montré sa pertinence pour les tumeurs radio-résistantes ou peu accessibles par la chirurgie ou la radiothérapie conventionnelle. Les grands organismes jouent ici un rôle sociétal important : en Europe, trois projets sont en cours de réalisation, à Heidelberg (HICAT), Pavie (CNAO) et Lyon (ETOILE), les trois étant basés à l’origine sur les grands laboratoires (GSI, CERN, CNRS-CEA). L’avant-projet d’ETOILE, a été mené par une collaboration CNRS-CEA dirigée au sein du LPSC de 2000 à 2003 qui a débouché sur une proposition détaillée et chiffrée financièrement à plus de 100 M€, depuis la conception jusqu’à l’opération. Le centre ETOILE vise le traitement de son premier patient en 2014.
Le LPSC participe depuis 2004 à la construction du centre italien CNAO, très similaire à ETOILE, en apportant ses compétences pour les mesures magnétiques des dipôles du synchrotron (avec le CERN), l’électronique dite « bas-niveau » de contrôle des cavités accélératrices ainsi que la conception et le suivi de réalisation d’un aimant bêtatron toroïdal pour l’extraction lente des faisceaux. Les éléments de l’accélérateur sont en place depuis début 2009, ce qui permet d’envisager le démarrage des traitements en 2010.
Dans le cadre de la R&D dédiée à la hadronthérapie, le LPSC a porté le projet ANR RACCAM dans lequel étaient également impliqués deux centres de radiothérapie (Grenoble et Lyon), des industriels (SIGMAPHI), IBA et AIMA-Développement ainsi que le Centre Antoine Lacassagne de Nice. Ce projet s'est intéressé à la mise en oeuvre de la méthode des synchrotrons à champ fixe pour l'accélération rapide de faisceaux de protons pour le médical, mais aussi de faisceaux instables, comme des muons dans une usine à neutrinos, pour des applications de recherche fondamentale. Ce projet a permis le prototypage d’un aimant de courbure et de focalisation (Figure 4) et la conception d’un démonstrateur orienté vers la proton thérapie.
Figure 4 : aimant prototype pour un synchrotron à champ fixe non linéaire du projet RACCAM
Canons à électrons : collaboration avec "Thomson Tubes and Displays"
Une thèse CIFRE a été entreprise au LPSC pour le compte de Thomson Tubes and Displays (Genlis, France) entre 2004 et 2007. Son objectif est de modéliser et de comprendre finement la physique des faisceaux d'électrons dans le canon de tubes de télévision. Ces travaux ont permis :
• la mesure des caractéristiques des faisceaux (émittance) par des procédés connus en physique des accélérateurs, mais nouveaux pour la télévision (méthode des trois gradients),
• le développement d'un modèle semi-analytique qui permet de reproduire les courbes caractéristiques courant/tension des canons, avec une meilleure précision que celle des codes particulaires de l'industriel (Figure 5),
• le développement d'un modèle analytique de la formation du faisceau, qui fait apparaître les paramètres essentiels définissant le faisceau initial, comme le champ pic sur la cathode ou encore la zone émissive, et qui permet de trouver l'émittance initiale des électrons.
