Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme

Historique du projet

Au début des années 2000, le CEA décide de créer un institut de recherche en neuro-imagerie, Neurospin, sur le site de Saclay.  Pour équiper ce centre de recherche unique au monde, une poignée de visionnaires proposent de construire un IRM à très haute résolution pour l’homme afin d’explorer le cerveau à une échelle jusque-là inaccessible. Un appel d’offre international est lancé pour une étude de faisabilité technique de l’aimant, la partie centrale de l’appareil. L’Irfu (Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers, anciennement DAPNIA (Département d’Astrophysique, Physique Nucléaire et d’Instrumentation Associée), est le seul à répondre positivement à cet appel et présente un design préliminaire après plusieurs mois d’études. Le projet Iseult est lancé le 30 avril 2004 par la signature d’un accord franco-allemand par le président Chirac et le chancelier Schröder sur le développement de l’imagerie moléculaire par IRM à très haut champ magnétique.

Statut des scanners IRM en 2004

Alors que les scanners IRM médicaux atteignent maintenant un champ magnétique de 3 teslas, c’est encore très loin d’être le cas à l’époque. Seuls une centaine d’IRM 3 teslas, deux IRM de recherche à 7 teslas et un seul IRM de recherche à 8 teslas sont alors en fonctionnement dans le monde. Iseult, avec ses 11,7 teslas (soit 223 000 fois le champ magnétique terrestre), est destiné à devenir le plus puissant IRM corps entier au monde dédié à la recherche médicale.

Historique de l'expertise de l'Irfu

L’Irfu a une très grande longue histoire et son expertise dans la construction des aimants supraconducteurs est reconnue mondialement et il a eu une contribution majeure aux aimants du LHC au CERN. Après une longue phase d’études, de nombreux prototypes sont construits et testés pour développer et valider les développements technologiques nécessaires pour réaliser cet objet exceptionnel. En 2010, le design imaginé par les physiciens de l’Irfu, en collaboration avec une poignée d’industriels et de partenaires académiques, est validé par un comité d’experts internationaux.

L'aimant 11,7T

L’aimant Iseult est un mastodonte de 132 tonnes, de 5 m de long et 5 m de diamètre, avec une ouverture centrale de 90 cm pour permettre les études sur un corps entier. Pour atteindre son champ magnétique nominal, l’aimant est alimenté par un courant de 1 500 ampères et refroidi en permanence de l’hélium superfluide à 1,8 kelvin (soit -271,35°C). A cette température, le conducteur de l’aimant, réalisé à base d’un alliage en niobium-titane, peut alors fonctionner à l’état supraconducteur et transporter sans échauffement un courant aussi important. L’aimant est constitué d’un ensemble de 170 bobines qui créent le champ magnétique principal, et deux bobines de blindage qui vont permettre de minimiser le champ magnétique à l’extérieur de l’aimant. Au total, l’aimant comporte 182 km de fil supraconducteur.

Une collaboration Alstom/Irfu pour la fabrication aimant

La fabrication de l’aimant a lieu à partir de 2010 chez Alstom (acquis par General Electric en décembre 2015) à Belfort. Elle est faite en collaboration étroite entre les équipes techniques d’Alstom et du CEA, avec des visites hebdomadaires des membres de l’équipe projet Irfu, et la présence sur le site de Belfort d’un agent Irfu en permanence, pendant près de six ans. L’aimant est livré sur le site de Neurospin en 2017, après un transport exceptionnel de près de 5 semaines entre Belfort et Saclay.

Les équipements nécessaires au fonctionnement de l’aimant

Depuis de nombreuses années, dans l’ombre des activités et des faits marquants de Belfort, un intense travail avait lieu à Neurospin pour installer l’usine cryogénique et l’ensemble des équipements auxiliaires nécessaires au fonctionnement de l’aimant. Les systèmes de contrôle-commande, les automates, les alimentations électriques, et tous les équipements cryogéniques avaient déjà installés et testés individuellement. Après l’installation de l’aimant dans son arche, les équipes ont œuvré pendant près de deux ans pour connecter l’aimant à tous ses équipements auxiliaires et préparer sa mise en service. A chaque nouvelle étape, une batterie de tests sur les circuits de refroidissement, les circuits électriques et l’instrumentation devait être réalisée.

Première descente à 1,8K

Le refroidissement de l’aimant débute fin 2018, et il faudra 14 semaines pour passer de la température ambiante à la température nominale. La mise en froid aura demandé 250 000 litres d’azote liquide et 18 500 litres d’hélium liquide. Des tests électriques et magnétiques ont été réalisé en permanence pour vérifier l’intégrité de l’aimant et suivre le comportement du cœur de l’aimant.

Première montée de courant

La montée en champ a lieu ensuite en plusieurs paliers avec de nombreux essais électriques et magnétiques, et les tests des procédures d’arrêt d’urgence. Au total, 1300 procédures prévues pour détecter l’apparition de défauts potentiels ont été testées et validées. L’aimant atteint pour la première fois son champ magnétique nominal en juillet 2019. Cette première montée au courant nominal prend 24 heures, et l’aimant reste une quinzaine d’heures à 11.7 teslas, avec la présence sur site toute la nuit de l’équipe projet pour tout surveiller et guetter le moindre problème.

Habiller l’aimant pour en faire un appareil IRM

Une nouvelle phase débute alors, avec les derniers travaux pour aménager l’arche, et l’installation des équipements nécessaires pour faire l’image (en particulier le montage des bobines de gradient, autre équipement critique du projet fourni par Siemens dans le cadre de la collaboration Iseult). En parallèle, les tests de l’aimant se poursuivent pour régler l’homogénéité spatiale (11,72 ± 0,00000293 teslas ) et temporelle, deux paramètres clés pour la qualité de l’image.

Pour la première fois, l’Irfu a développé un système de haute disponibilité. Si les procédés sont connus et maitrisés dans le secteur nucléaire au CEA, c’est la première fois que ce type de fonctionnement est mis en œuvre pour un aimant supraconducteur d’IRM. Tous les équipements critiques ont été doublés afin de permettre de fonctionner en cas de problème ou de maintenance. L’aimant est équipé contre les coupures électriques, les pannes du réseau informatique, et bénéficie d’une autonomie de son refroidissement de 7 jours même en cas de problème majeur sur l’usine cryogénique. La protection de l’aimant est assurée par un automate qui se base sur un système de vote entre les différentes acquisitions pour prendre une décision.