Accélérateur de particules - Définition

Les accélérateurs rectilignes ou linéaires

On trouve plusieurs techniques d'accélération, par exemple :

• les accélérateurs électrostatiques : Une haute tension statique est appliquée entre 2 électrodes produisant ainsi un champ électrique statique :
  • Les multiplicateurs de tension (combinaison en cascade de condensateurs et de redresseurs) de type Greinacher ou Cockcroft et Walton permettent d'obtenir des hautes tensions qui ont les caractéristiques des machines proprement électrostatiques (Singletron® , Tandetron® de HVEE). L'énergie acquise par les particules est égale, en électron-volts, au produit de leur nombre de charge par la différence de potentiel entre leur lieu de production (source) et leur lieu d'extraction.
  • Le microscope électronique est le plus connu des accélérateurs électrostatiques. L'accélération sous quelques centaines de keV fournit des longueurs d'ondes adaptées aux dimensions des cellules, des virus, des microcristaux et des plus grosses molécules.
  • Le générateur électrostatique le plus typique est le générateur de Van de Graaff : la différence de potentiel est de quelques MeV (20 MeV pour les accélérateurs-tandem de type Vivitron® ou Laddertron® ou Pelletron®).Pour accroître l'énergie à tension constante, on ne peut qu'augmenter la charge électrique. Mais les sources d'ions multichargés sont, en général, complexes, et il est peu commode de les loger dans une électrode haute tension. L'accélérateur électrostatique tandem (1958) apporte une solution à ce problème. Les ions négatifs (charge : -e) produits par la source sont accélérés jusqu'au milieu du tube (potentiel +V). Ils traversent un éplucheur d'électrons (stripper), en passant à travers une faible quantité de matière (petite section de gaz ou feuille de métal ou de carbone très mince). Les ions positifs ainsi formés sont accélérés par la tension V. L'énergie finale vaut alors (n+1)eV si n est le nombre de charge de l'ion positif final. La source d'ions et la cible sont toutes deux à la masse (ou sol). Pour des protons (en démarrant avec une source d'ions H-), l'énergie finale est le double de celle permise par une machine classique (avec une source de protons). Les ions les plus lourds peuvent atteindre des énergies finales de plusieurs centaines de MeV. Le principal inconvénient porte sur la plus forte difficulté à produire des ions négatifs (avec un excés d'électrons) que des ions positifs (avec un défaut d'électrons). Dans ce type de machines, la haute tension est produite comme suit :
    • des charges sont déposées sur une courroie isolante à l'extrémité du tube accélérateur,
    • la courroie est entrainée par un moteur (source d'énergie),
    • les charges sont ensuite récupérées à l'autre extrémité de l'accélérateur,
    • elles reviennent (courant) vers leur source à travers un pont de résistance qui produit la tension.

• les accélérateurs linéaires à radiofréquences de type Wideroë (1928) ou Alvarez (1947). Couramment appelés LINAC (éléments disposés en ligne droite): la trajectoire des particules est toujours rectiligne, mais le champ électrique est de haute fréquence. Les sources alternatives Haute Fréquence utilisées sont presque toujours des klystrons (tubes amplificateurs hyperfréquences) dont la puissance de crête peut atteindre 60 MW. Les particules sont accélérées par impulsions successives convenablement synchronisées sans avoir à isoler des différences de potentiel équivalentes à l'énergie finale. Le faisceau en passant dans une suite de cavités où règne un champ électrique alternatif va pouvoir atteindre une énergie de quelques centaines de MeV. On distingue encore deux types selon qu'il s'agit accélérateurs d'ions (basses énergies) ou d'électrons (haute énergie). Les accélérateurs linéaires sont plus anciens que les accélérateurs circulaires ; ils sont apparus dès 1931 avec l'accélérateur linéaire de Wideroë, repris par Sloan et Lawrence aux États-Unis. En France, au début des années 1960, on a construit à Orsay en Essonne un accélérateur linéaire et son Anneau de Collision (ACO) dont l'énergie était de l'ordre du GeV. Les accélérateur linéaires ne permettaient pas, initialement, de produire des faisceaux d'aussi grande énergie que les accélérateurs circulaires. En revanche ils ont de nombreux avantages. En effet, la géométrie est « ouverte », c'est-à-dire que l'on peut envoyer ou extraire le faisceau facilement et un faisceau de flux élevé pourra être transporté avec les technologies actuelles. Ils sont souvent utilisés comme injecteurs de faisceaux dans les grandes structures (collisionneurs circulaires), et maintenant développés comme éléments de grands collisionneurs linéaires. Actuellement, le plus grand accélérateur linéaire au monde est celui de Stanford aux États-Unis : voir le Centre de l'accélérateur linéaire de Stanford. Longueur 3 050 mètres, nombre de Klystrons 244. Puissance de crête par klystron : 30 MW. Énergies maxima 24 GeV (33,4 GeV avec cavités Haute Fréquence de stockage). Courant de crête : 80 MA. La puissance énorme transportée par le faisceau (1 MW continu) pose des problèmes technologiques.