Arronax est un cyclotron unique au monde en raison de ses caractéristiques (multiparticules, 70 MeV) au moment de sa mise en service en 2010 près de Nantes, sur la commune de Saint-Herblain en Loire-Atlantique, à proximité de l'hôpital Guillaume-et-René-Laennec (dépendant du CHU de Nantes) et du Centre de lutte contre le cancer René-Gauducheau (devenu Institut de Cancérologie de l'Ouest - ICO). ARRONAX signifie « Accélérateur pour la recherche en radiochimie et oncologie à Nantes-Atlantique ». L'acronyme fait référence au professeur Pierre Aronnax, personnage du roman de Jules Verne (né à Nantes en 1828) intitulé Vingt mille lieues sous les mers.
C'est un cyclotron isochrone prototype de haute énergie (70 MeV) et de forte intensité (2x375 μA) destiné à la production de radionucléides pour l'imagerie médicale et la radiothérapie en oncologie ainsi qu'à la recherche en médecine nucléaire, en chimie nucléaire et en physique nucléaire. C'est un cyclotron multi-faisceaux capable de fournir des protons, des deutons et des particules α.
Le projet date de 2003. Il a été élaboré par des chercheurs: du Laboratoire de physique subatomique et des technologies associées (Subatech) de l'École nationale supérieure des mines de Nantes (EMN), de l'Université de Nantes et du CNRS (IN2P3) du Centre régional de lutte contre le cancer René Gauducheau (aujourd'hui Institut de Cancérologie de l'Ouest - ICO) et de l'Unité de recherche sur les interactions cellulaires dans le cancer et la transplantation de l'Inserm, du CHU de Nantes et de l'Université de Nantes.
Les particules accélérées dans le cyclotron à des vitesses de l'ordre de 10 à 30 % de la vitesse de la lumière sont guidées dans des lignes de faisceau vers des cibles où se produisent les transmutations nucléaires. Les particules accélérées s'intègrent aux noyaux des éléments de la cible et provoquent des réarrangements de ces noyaux. Parmi les nouveaux éléments formés, certains, radioactifs, sont utilisés, après purification et conditionnement appropriés, pour l'imagerie médicale ou la radiothérapie des cancers.
Une ligne de faisceau est réservée aux expériences de radiolyse, de radiobiologie et de physique avec des faisceaux de deutons ou de particules alpha. Cette ligne de faisceau est également utilisée pour la formation des personnels du cyclotron et pour l'enseignement.
Objectifs Le cyclotron Arronax a été conçu pour produire : plusieurs types de faisceaux de particules, en particulier des faisceaux de protons, de deutons ou de particules alpha, alors que la plupart des cyclotrons existant ne produisent que des faisceaux de protons ; des particules de haute énergie, jusqu'à 70 MeV, alors que les autres cyclotrons à usage médical n'atteignent que 20 MeV ; des faisceaux de forte intensité, jusqu'à 300 μA pour les protons, alors que les autres cyclotrons sont limités à 100μA. Ces spécifications ont été choisies 1) pour pouvoir produire des radionucléides d'intérêt médical, inaccessibles avec des énergies et des intensités plus faibles ou sans particules alpha, et 2) pour des recherches en physique sur l'action des rayonnements sur les matériaux.
En dotant la métropole nantaise d'un équipement scientifique mi-lourd à vocation européenne, l’État, la Région des Pays de la Loire et les autres collectivités territoriales ont voulu renforcer les équipes de recherche des laboratoires nantais et attirer de nouveaux chercheurs et des étudiants. Ils ont voulu aussi favoriser le développement d'entreprises innovantes en radiochimie, radiopharmacie, radioprotection et en instrumentation au voisinage du cyclotron.
En , un second cyclotron est en cours de construction.
Caractéristiques techniques Le cyclotron Arronax est un accélérateur capable de produire plusieurs types de particules :
+Caractéristiques des faisceaux Faisceaux de Particules Énergies (MeV) Intensités max. (μA) Protons (H+) 35-70375x2 Particules α (He2+)6870 Dihydrogènes ionisés (HH+)3550 Deutons (D+)15-3550 Arronax est un cyclotron isochrone à quatre secteurs. Il est constitué d'un électro-aimant capable de développer un champ magnétique vertical maximum de 1,64 T qui maintient les particules sur des trajectoires spirales dans le plan horizontal. Son diamètre extérieur est d'environ et sa hauteur de . Il pèse 145 tonnes, soit le poids à vide d'un Boeing 777. Les ions sont accélérés dans deux cavités sous vide placées en opposition. Chacune de ces cavités est composée de deux électrodes : l'une en forme de "part de gâteau" souvent appelée d (Dee en anglais) car à l'origine, cette cavité avait la forme d'un D (ce n'est plus le cas aujourd'hui mais le terme est resté); l'autre électrode est située autour de la première. Les deux électrodes sont soumises à une tension alternative de 65 kV à une fréquence de .
thumb|right|upright=1.8|alt=|Le cyclotron Arronax
thumb|right|upright=1.8|alt=|Lignes de faisceau secondaires et dispositifs cibles du cyclotron Arronax
Les ions primaires sont produits dans deux sources. L'une d'elles est une source à filament d'ions hydrogène négatifs H− ou D−. Dans cette source, le filament fournit des électrons qui vont « casser » les molécules du gaz injecté (par exemple du dihydrogène ou du gaz deutérium). Plusieurs réactions produisant des ions sont obtenues et les éléments magnétiques internes de la source permettent alors de sélectionner les H et D. L'autre source, à résonance cyclotronique des électrons, n’utilise pas de filament mais un champ électromagnétique qui induit un déplacement des électrons libres. La réaction avec le gaz donne des ions positifs He++ et HH+. Les particules créées dans l'une des deux sources sont injectées au centre du cyclotron où elles sont accélérées. Lorsqu'elles atteignent l'énergie recherchée, elles sont extraites à travers une sortie et dirigées vers une ligne de faisceau. C'est au niveau des sorties que les ions négatifs H− ou D− accélérés sont transformés en protons H+ et deuton D+ en traversant une feuille de carbone qui les dépouille de leurs électrons. Les faisceaux de particules sont ensuite guidés et focalisés vers des cibles en empruntant les lignes de faisceau.
Arronax dispose de deux sorties qui, chacune, alimente 3 lignes de faisceau qui aboutissent dans 6 casemates. Quatre lignes principales sont consacrées à la production de radionucléides avec des faisceaux de particules alpha. Elles sont équipées de stations d'irradiation qui accueillent les cibles. La cinquième ligne contient un dispositif d'activation neutronique. La dernière aboutit dans la casemate d'expérimentation où elle se divise en trois lignes secondaires réservées aux expériences de radiolyse, de radiobiologie et de physique avec des faisceaux de deutons ou de particules alpha.
Le bâtiment Le cyclotron est situé dans le hall central du bâtiment, entouré de six casemates où aboutissent les lignes de faisceau. Le hall du cyclotron et les casemates périphériques sont construits sur une dalle de 1 m d'épaisseur et entourés de murs et d'une dalle-plafond en béton de 3,70 m d'épaisseur. L'ensemble des salles est climatisé et maintenu en dépression. L'air expulsé est filtré sur filtres absolus et charbon actif. L'ensemble est situé en zone contrôlée, soumise aux règles de radio-protection.
Les annexes Le cyclotron et ses casemates d'irradiation sont entourés de locaux annexes:
Les locaux chauds (zone contrôlée)
thumb|right|upright=1|alt=|Enceintes protégées avec bras télémanipulateurs pour le traitement des cibles radioactives du cyclotron Arronax
Les cibles irradiées sont acheminées par des circuits pneumatiques dans des enceintes blindées, avec des protections de plomb de d'épaisseur, qui sont installées dans un laboratoire attenant au cyclotron. Dans ces enceintes blindées sont conduites les manipulations chimiques nécessaires à l'isolement des radionucléides recherchés. Les radionucléides isolés sont ensuite transférés dans des laboratoires équipés de boites à gants, pour être purifiés et y subir les contrôles qualité. D'autres laboratoires sont également installés à proximité du cyclotron: radiochimie, culture cellulaire, biochimie Des locaux de service: maintenance, déchets, entreposage, expédition.
Les locaux froids Les locaux techniques directement liés au fonctionnement du cyclotron: alimentation électrique, contrôle-commande, ventilation, pompes à vide… Les bureaux pour les chercheurs et l'administration, les salles de réunion, la salle de conférence.
Nouveaux équipements Equipex ArronaxPlus À partir de 2012, divers équipements complémentaires ont été installés autour du cyclotron dans le cadre du projet Equipex ArronaxPlus. Un laboratoire de radiopharmacie attenant au cyclotron : ce laboratoire est voué au conditionnement des isotopes destinés aux applications pré-cliniques et cliniques. Certains isotopes doivent être complexés pour être bio-compatibles. Pour la radio-immunothérapie vectorisée, les isotopes radioactifs doivent être fixés sur des anticorps qui reconnaissent préférentiellement les cellules cancéreuses. Cette opération de radio-marquage des anticorps est réalisée dans ce laboratoire de radio-pharmacie. L'aménagement de l'extrémité d'une ligne de faisceau pour les recherches sur l'action de la radiolyse de l'eau sur les matériaux. L'installation d'un activateur neutronique par le laboratoire Subatech en collaboration avec la société AAA.
Un irradiateur gamma Un irradiateur gamma avec une source de césium 137 est installé dans un local spécifique en zone chaude.
Productions de radionucléides Le conseil scientifique a recommandé la production de huit radionucléides à usage médical : le scandium 44, le scandium 47, le cuivre 64, le cuivre 67, le germanium 68 et le strontium 82, l'holmium 166 et l'astate 211.
+Liste des radioisotopes recherchés Éléments pères Irradiation Réaction Éléments fils Demi-vie Émission Éléments petits-fils Demi-vie Émission Destination 44CaProtons(p,n) 44Sc4 hβ+, γ 44CastableTEP Oncologie48Ti 49Ti
50TiProtons(p,2p) (p,2p+n)
(p,2p+2n) 47Sc3,4 jβ−, γ47TistableRIT Oncologie64NiDeutons 16 MeV(d,2n) 64Cu12,7 hβ+, β−64Ni, 64ZnstablesTEP Cardiologie68ZnProtons 70 MeV(p,2p)67Cu61,8 hβ−67ZnstableRIT Oncologie69GaProtons 40 MeV(p,2n) 68Ge270.8 jc.e.68Ga68 minβ+TEP Oncologie85RbProtons 50 MeV(p,4n)82Sr25,4 jc.e.82Rb1,27 minβ+TEP Cardiologie165HoNeutrons(n,-)166Ho26.8 hβ−, γ166ErstableCuriethérapie209BiAlphas 21 MeV(α,2n)211At7,2 hα207Bi32 ansc.e.AIT OncologieTEP, Tomographie par émission de positons; RIT, Radioimmunothérapie; AIT, alpha-immunothérapie; c.e., capture électronique Le scandium 44 Le scandium 44 est généré par irradiation de calcium 44 avec des protons. Le 44Ca ne représente que 2 % des isotopes naturels du calcium. Le 44Sc se désintègre en 44Ca en une période de 4 h avec émission de positons. Le 44Sc est utilisé pour l'imagerie par tomographie par émission de positons (TEP). De plus, il est émetteur d'un photon gamma, ce qui autorise le développement d'une nouvelle caméra TEP, dite « 3 gammas ». La production de 44Sc par bombardement de 44Ca avec des deutons a fait l'objet de recherche sur Arronax.
Le scandium 47 Le 47Sc est un radionucléide émetteur d'électrons de forte énergie () qui peut être intéressant pour la radioimmunothérapie. L'émission simultanée de rayons gamma () peut permettre de suivre par scintigraphie le ciblage du radioélément. Ses conditions de production font l'objet des projets de recherche développés au sein du GIP ARRONAX. Il est produit par bombardement de cibles de titane naturel par des protons. Trois des isotopes naturels du titane peuvent contribuer à créer du 47Sc.
Le cuivre 64