Synchrotron - Définition

Principe de fonctionnement d'un synchrotron à protons

Synchrotron à protons à gradient constant

• Lorsqu'on impose au rayon de l'orbite d'accélération d'être constant, les deux variables champ magnétique et fréquence HF ne sont plus indépendantes. On doit ajuster la fréquence HF sur la montée du champ magnétique. L'avantage d'un rayon constant de l'orbite d'équilibre est qu'il suffit que le champ magnétique de guidage soit présent sur une couronne centrée sur cette orbite, et non plus sur toute la surface du cercle (comme dans le cyclotron).

• La pièce maîtresse du synchrotron est un aimant annulaire composé d'un certain nombre de secteurs magnétiques raccordés par des sections droites. L'alimentation pulsée de l'électro-aimant nécessite une grande puissance. A cause de l'aimantation rémanente du matériau magnétique, il n'est pas possible de démarrer l'accélération à une énergie nulle ce qui implique un système d'injection (accélérateur électrostatique ou linéaire).

• Le système HF d'accélération utilise des cavités résonnantes excitées par un amplificateur HF de puissance.

Focalisation par gradients alternés

Une contrainte technique limite l'énergie maximale des particules accélérées. Elle est liée au mouvement latéral des particules. Sous l'action des forces électro-magnétiques les particules ont tendance à osciller autour de la trajectoire théorique, la trajectoire centrale. Dans un premier temps les constructeurs ont construit de plus gros électro-aimants, avec des chambres à vide de grandes dimensions. Ces synchrotrons à focalisation faible n'ont donné que des faisceaux peu intenses (Doubna, URSS, 10 GeV).

À Brookhaven en 1952 une nouvelle méthode de guidage a permis de faire progresser la technique du synchrotron (et des accélérateurs linéaires). Pour diminuer la taille et le poids des éléments magnétiques il faut focaliser le faisceau grâce à l'alternance de secteurs magnétiques à indice fortement positif et à indice fortement négatif. Les pièces polaires des aimants ont été dessinées pour que les champs magnétiques complexes produisent un effet focalisant sur les particules qui y circulent. Au lieu d'être parallèles, les extrémités des pièces polaires des aimants sont inclinées, les inclinaisons de deux aimants successifs étant opposées (on parle de gradients alternés). Il y a stabilité verticale et stabilité radiale du mouvement lorsque le synchrotron est constitué par une succession d'aimants à indices de champ alternés. La focalisation forte permet de réduire la taille des aimants, celle des tubes à vide, la consommation électrique. 2 appareils ont été construits sur les prédictions théoriques : au CERN en 1959 (Diamètre 200 m, circonférence 600 m, énergie du faisceau 25 GeV) et au Brookhaven National Laboratory, Long Island (NY) en 1960 (Diamètre 200 m, circonférence 600 m, énergie du faisceau 30 GeV)

En résumé un synchrotron

Se compose principalement des éléments suivants:

• un petit accélérateur, l'injecteur, qui prépare les particules à faible énergie;
• un anneau magnétique, maintenant les particules sur une trajectoire grossièrement circulaire (elle peut être interrompue par des sections rectilignes)
• des cavités accélératrices destinées à augmenter - ou maintenir - l'énergie des particules tournant tout autour de l'anneau.
• tout un ensemble d'appareillages annexes : alimentation électrique des aimants de courbure et des cavités, systèmes à ultravide, sondes de contrôle de position et de forme du faisceau, systèmes d'injection et d'éjection, systèmes de refroidissement, etc.

Les particules sont maintenues dans un vide extrêmement poussé, tout autour de l'anneau, à l'intérieur d'un tube de forme torique.

La caractéristique du synchrotron est que l'intensité du champ magnétique de l'anneau est maintenue adaptée de façon synchrone à l'énergie du faisceau de particules, afin de les maintenir sur une trajectoire fixe. Il peut en outre y avoir un second anneau, avec des particules tournant en sens inverse, afin de réaliser des collisions entre particules avec une énergie utilisable très élevée. Ce sont des collisionneurs.

On distingue principalement, par leurs contraintes de construction, deux types de synchrotrons ou de collisionneurs :

• les synchrotrons à protons (ou à antiprotons) destinés à l'étude de l'interaction forte;
• les synchrotrons à électrons ou à positons. Les collisionneurs comme LEP servent à l'étude de l'interaction électrofaible.

La suite de cet article concernera les synchrotrons à électrons, considérés comme sources de lumière synchrotron.