Accélérateur de particules
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Introduction

Accélérateur Van de Graaff de 2 MeV datant des années 1960 ouvert pour maintenance.
Le diagramme de Livingston : progrès constant de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) des faisceaux de particules accélérées selon le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.).

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. En d'autres termes, ils communiquent de l'énergie aux particules...

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

En 2004, il y avait plus de 15 000 accélérateurs dans le monde (Le mot monde peut désigner :). Une centaine seulement sont de très grosses installations, nationales ou supranationales (CERN). Les machines électrostatiques de type industriel composent plus de 80 % du parc (Un Parc est un terrain naturel enclos,[1] formé de bois ou de prairies, dans lequel ont été tracées des allées et chemins destinés à la chasse, à la promenade ou à l’agrément. Il se distingue du Jardin public par le...) mondial des accélérateurs industriels d'électrons. De très nombreux petits accélérateurs linéaires sont utilisés en médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la pratique (l'art) étudiant l'organisation du corps...) (radiothérapie anti-tumorale).

Historique

En 1919, le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de...) Ernest Rutherford (1871-1938) transforma des atomes d'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote...) en isotopes d'atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple...) d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) en les bombardant avec des particules alpha engendrées par un isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de...) radioactif naturel. Mais l'étude de l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite...) et surtout de son noyau nécessite de très hautes énergies. Les particules provenant des radio-éléments naturels sont trop peu nombreuses et peu énergétiques pour pénétrer la barrière de potentiel (Le terme barrière de potentiel permet de désigner de façon intuitive les effets cinétiques que subit un objet mécanique de la part des forces auxquelles il est soumis. Notamment, dans le...) du noyau des éléments les plus lourds. Le potentiel à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique,...) nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) croît d'un million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999) et qui précède un million un...) de volts pour l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) ordinaire à 16 millions pour l'uranium (L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un élément naturel assez fréquent : plus abondant que...). Les astroparticules (rayons cosmiques) ont permis des découvertes majeures mais leur énergie est très variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une formule, un prédicat ou un...) et il faut aller les chercher en altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et biogéographique qui explique la...) où elles sont moins rares et plus énergétiques. Dans les années 1920, il apparaît évident qu'une étude plus approfondie de la structure de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...) allait nécessiter des faisceaux plus énergétiques et plus contrôlés de particules. La source des particules chargées était variée. Les décharges dans les gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme...) 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 (E) d'une particule dans un champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence exercée à distance par des particules chargées...) correspond au produit de sa charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) (q) multiplié par la tension (La tension est une force d'extension.) (U) du champ : E = q.U. Ainsi, une première solution possible était essentiellement d'accélérer les particules dans un tube à vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) soumis à une très haute tension (La très haute tension (THT) est une ancienne dénomination de la classe des tensions utilisées pour le transport longue distance de l'électricité. Cette classe concernait les tensions...). La course (Course : Ce mot a plusieurs sens, ayant tous un rapport avec le mouvement.) 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 (Londres (en anglais : London - /?l?nd?n/) est la capitale ainsi que la plus grande ville d'Angleterre et du Royaume-Uni. Fondée il y a plus de 2 000 ans par les Romains, la ville est...)

En Angleterre (L’Angleterre (England en anglais) est l'une des quatre nations constitutives du Royaume-Uni. Elle est de loin la plus peuplée, avec...), 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 Greinacher, 1919). Sans aucun doute, l'une des meilleures idées fut développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites normales...) par Robert Jemison Van de Graaff, qui choisit de développer une machine à partir de l'antique électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre elles, c’est-à-dire de leurs interactions.). Finalement, les autres (tels que Ernest Orlando Lawrence avec son cyclotron) choisirent une voie complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique...) 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 (Alternatives (titre original : Destiny Three Times) est un roman de Fritz Leiber publié en 1945.) successives. Des impulsions périodiques supposent le maintien d'un certain synchronisme (Le synchronisme désigne le caractère de ce qui se passe en même temps, à la même vitesse. L'adjectif synchrone définit deux processus qui se déroulent de manière synchronisée.) avec la particule accélérée qui décrit naturellement une ligne droite à une très grande vitesse (On distingue :). En employant un puissant électro-aimant dans l'entrefer duquel les particules sont confinées par le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la...) lui-même, E.O. Lawrence a résolu simultanément les deux problèmes.

Les principaux composants nécessaires pour accélérer les particules sont les champs électriques et magnétiques et un vide de bonne qualité ; les champs électriques et magnétiques sont utilisés pour accélérer et diriger les particules et le vide poussé permet que les particules accélérées ne soient pas ralenties suite à des collisions avec d'autres particules présentes dans le tube cylindrique au sein duquel circule le faisceau.

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 (Le cyclotron est un type d’accélérateur circulaire inventé par Ernest Orlando Lawrence en 1931. Dans un cyclotron, les particules placées dans un champ magnétique...) isochrone (Isochrone signifie « qui se produit à intervalles de temps égaux ». Les oscillations d'un pendule ou d'un balancier-spirale sont isochrones lorsque leur durée est indépendante de l'amplitude.) et le bétatron), les synchrotrons (dont le synchrocyclotron, les synchrotrons à protons, à électrons), les anneaux des collisions (anneaux électron-positron, anneaux de collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) à protons). Bien sûr, chaque machine peut être associée aux découvertes historiques qu'elles ont permises.

Les accélérateurs peuvent être classés selon l'énergie :

  • basses énergies : de 10 à 100 MeV
  • moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient tous identiques sans...) énergies : de 100 à 1 000 MeV
  • hautes énergies : plus de 1 GeV et au-delà du TeV (Tera électronvolt=1012 eV).

D'autres classifications sont possibles selon les applications de l'accélérateur : industrie, médecine, recherche fondamentale (La recherche fondamentale regroupe les travaux de recherche scientifique n'ayant pas de finalité économique déterminée au moment des travaux. On oppose en général la recherche...), exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) 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 XXe et XXIe siècles peuvent être classées selon la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et,...) des trajectoires de l'accélération : linéaire ou circulaire. Le caractère fondamental de nombreux accélérateurs modernes est la présence d'un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique enroulant les trajectoires sous forme de cercles ou de spirales ((voir page de discussion)). On peut les appeler « circulaires ». D'autres accélèrent en ligne droite, on les appelle « rectilignes ou linéaires ».

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