accélérateur de particules

Accélérateur de particules

Accélérateur Van de Graaff de 2 MeV ouvert pour maintenance-1960.

Le diagramme de Livingston : progrès exponentiels de l'énergie des faisceaux de particules accélérées.

Les accélérateurs de particules sont des instruments qui utilisent des champs électriques et/ou magnétiques pour amener des particules chargées électriquement à des vitesses élevées.

On en distingue deux grandes catégories : les accélérateurs linéaires et les accélérateurs circulaires.

En 2004 il y avait 15 000 accélérateurs dans le monde. Une centaine seulement sont de très grosses installations. Les machines électrostatiques de type industriel composent plus de 80 % du parc mondial des accélérateurs industriels d'électrons.

1. Historique

En 1919, le physicien Ernest Rutherford (1871-1937) transforma des atomes d'azote en isotopes d'atome d'oxygène en les bombardant avec des particules alpha engendrées par un isotope radioactif. Mais l'étude de l'atome et surtout de son noyau nécessite de très hautes énergies. Les particules provenant des radioéléments naturels sont trop peu nombreuses et peu énergétiques pour pénétrer la barrière de potentiel du noyau des éléments les plus lourds. Le potentiel à la surface nucléaire croît d'un million de volts pour l'hydrogène ordinaire à 16 millions pour l'uranium. Dans les années 1920, il apparaît évident qu'une étude plus approfondie de la structure de la matière allait nécessiter des faisceaux plus énergétiques de particules. Ces particules peuvent être obtenues de différentes manières. Les particules chargées pouvaient être obtenues par différents moyens. Les décharges dans les gaz produisent des ions, alors que pour les électrons, il était possible d'utiliser l'émission par un fil chauffé ou d'autres systèmes. L'énergie d'une particule dans un champ électrique correspond au produit de sa charge multiplié par la tension du champ : Ainsi, une première solution possible était essentiellement d'accélérer les particules dans un tube à vide soumis à une très haute tension. La course au million de volts avait commencé. Plusieurs systèmes furent proposés.

Le générateur Cockcroft-Walton était un multiplicateur de tension fait de condensateurs et de redresseurs. C'était un élément d'un accélérateur. Construit en 1937 par Philips à Eindhoven. Exposé au Musée des sciences de Londres.

En Angleterre John Cockcroft et Ernest Walton, qui, en 1932, accomplirent la première désintégration réussie du noyau par des particules électriquement accélérées, utilisèrent un multiplicateur de tension à l'aide d'un montage compliqué de redresseurs et de condensateurs (montage Grevenmacher, 1919). Sans aucun doute, l'une des meilleures idées fut développée par Robert Jamison Van de Graaff, qui choisit de développer une machine à partir de l'antique électrostatique. Finalement, les autres (tels que Ernest Orlando Lawrence avec son cyclotron) choisirent une voie complètement différente : renonçant à obtenir d'un coup les 10 ou 20 MeV nécessaires pour pénétrer tous les noyaux Ernest Orlando Lawrence pensa atteindre ces énergies par des impulsions électriques alternatives successives. Des impulsions périodiques supposent le maintien d'un certain synchronisme avec la particule accélérée qui décrit naturellement une ligne droite à une très grande vitesse. En employant un puissant électro-aimant dans l'entrefer duquel les particules sont confinées par le champ magnétique lui-même, E.O. Lawrence a résolut simultanément les deux problèmes.

Les principaux ingrédients nécessaires pour accélérer les particules sont les champs électriques et magnétiques et un vide de bonne qualité.

La classification des accélérateurs de particules peut suivre l'historique des technologies employées : par exemple, l'accélérateur électrostatique, les machines « tandem », les accélérateurs linéaires à hyperfréquences, les cyclotrons (dont le cyclotron isochrone et le bêtatron), les synchrotrons (dont le synchrocyclotron, les synchrotrons à protons, à électrons), les anneaux des collisions (anneaux électron-positron, anneaux de collision à protons). Bien sûr, chaque machine peut être associée aux découvertes historiques qu'elles ont permises.

Classification par l'énergie : basses énergies de 10-100 MeV. Énergie moyenne de 100-1 000 MeV. Hautes énergies plus de 1 GeV et au delà du TeV (un téraélectron-volt = 10¹² eV).

D'autres classifications sont possibles selon les applications de l'accélérateur : industrie, médecine, recherche fondamentale, exploration et compréhension des composants élémentaires de la matière, de l'énergie et de l'espace et du temps.

Plus simplement, ces très grandes machines des XX^e et XXI^e siècles peuvent être classées selon la géométrie des trajectoires de l'accélération : linéaire ou circulaire. Le caractère fondamental de nombreux accélérateurs modernes est la présence d'un champ magnétique enroulant les trajectoires sous forme de cercles ou de spirales. On peut les appeler « circulaires ». D'autres accélèrent en ligne droite, on les appelle « rectilignes ou linéaires ».

Le Tevatron au Fermilab à Chicago.

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