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Un accélérateur de particules est une machine qui utilise des champs électromagnétiques pour propulser des ions à des vitesses et des énergies très élevées afin de les confiner dans des faisceaux bien définis . Les petits accélérateurs sont utilisés pour la recherche fondamentale en physique des particules . Ils servent également de sources de lumière synchrotron pour l'étude de la physique de la matière condensée . Les accélérateurs de particules de petite taille sont utilisés dans une grande variété d'applications, notamment la thérapie par particules à visée oncologique , la production de radio-isotopes pour le diagnostic médical, les implanteurs ioniques pour la fabrication de semi-conducteurs et les spectromètres de masse à accélérateur pour la mesure d'isotopes rares tels que le radiocarbone .
Parmi les grands accélérateurs figurent le collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) du Laboratoire national de Brookhaven, dans l'État de New York, et le plus grand accélérateur, le Grand collisionneur de hadrons (LHC) près de Genève, en Suisse, exploité par le CERN . Ce dernier est un accélérateur de type collisionneur , capable d'accélérer deux faisceaux de protons à une énergie de 6,5 TeV et de les faire entrer en collision frontale, créant ainsi des énergies dans le centre de masse de 13 TeV. Plus de 30 000 accélérateurs sont en service dans le monde.
Il existe deux grandes catégories d'accélérateurs : les accélérateurs électrostatiques et les accélérateurs électrodynamiques (ou électromagnétiques). Les accélérateurs de particules électrostatiques utilisent des champs électriques statiques pour accélérer les particules. Les plus courants sont le générateur Cockcroft-Walton et le générateur Van de Graaff . Un exemple à petite échelle de cette catégorie est le tube cathodique d'un téléviseur classique. L' énergie cinétique que peuvent atteindre les particules dans ces dispositifs est déterminée par la tension d'accélération , elle-même limitée par le claquage électrique . Les accélérateurs électrodynamiques ou électromagnétiques , quant à eux, utilisent des champs électromagnétiques variables ( induction magnétique ou champs de radiofréquences oscillants ) pour accélérer les particules. Comme les particules peuvent traverser plusieurs fois le même champ d'accélération, l'énergie de sortie n'est pas limitée par l'intensité de ce champ. Cette catégorie, développée dans les années 1920, constitue la base de la plupart des accélérateurs modernes de grande puissance.
Rolf Widerøe , Gustav Ising , Leó Szilárd , Max Steenbeck et Ernest Lawrence sont considérés comme des pionniers dans ce domaine, ayant conçu et construit le premier accélérateur linéaire de particules opérationnel , le bétatron , ainsi que le cyclotron . Comme la cible des faisceaux de particules des premiers accélérateurs était généralement les atomes d'un matériau, l'objectif étant de créer des collisions avec leurs noyaux afin d'étudier la structure nucléaire, les accélérateurs étaient communément appelés « briseurs d'atomes » au XXᵉ siècle . Ce terme persiste malgré le fait que de nombreux accélérateurs modernes créent des collisions entre deux particules subatomiques , plutôt qu'entre une particule et un noyau atomique
Les faisceaux de particules de haute énergie sont utiles pour la recherche fondamentale et appliquée en sciences, ainsi que dans de nombreux domaines techniques et industriels sans lien avec la recherche fondamentale. On compte environ 30 000 accélérateurs dans le monde ; parmi ceux-ci, seulement 1 % environ sont des machines de recherche dont l’énergie dépasse 1 GeV , tandis qu’environ 44 % sont destinés à la radiothérapie , 41 % à l’implantation ionique , 9 % aux procédés industriels et à la recherche, et 4 % à la recherche biomédicale et à d’autres recherches à basse énergie.
Physique des particules
Pour les recherches les plus fondamentales sur la dynamique et la structure de la matière, de l'espace et du temps, les physiciens étudient les interactions les plus simples aux énergies les plus élevées possibles. Celles-ci impliquent généralement des énergies de particules de plusieurs GeV et des interactions entre les particules les plus simples : les leptons (par exemple, les électrons et les positrons ) et les quarks pour la matière, ou les photons et les gluons pour les quanta de champ . Puisque les quarks isolés sont inaccessibles expérimentalement en raison du confinement de couleur , les expériences les plus simples disponibles portent sur les interactions, d'une part, des leptons entre eux, et d'autre part, des leptons avec les nucléons , composés de quarks et de gluons. Pour étudier les collisions de quarks entre eux, les scientifiques ont recours aux collisions de nucléons, qui, à haute énergie, peuvent être utilesment considérées comme des interactions à deux corps entre les quarks et les gluons qui les composent. Les physiciens des particules élémentaires ont tendance à utiliser des machines créant des faisceaux d'électrons, de positrons, de protons et d'antiprotons , interagissant entre eux ou avec les noyaux les plus simples (par exemple, l'hydrogène ou le deutérium ) aux énergies les plus élevées possibles, généralement des centaines de GeV ou plus.
L'accélérateur de particules le plus grand et le plus énergétique utilisé pour la physique des particules élémentaires est le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN , en fonctionnement depuis 2009.
Physique nucléaire et production d'isotopes
Les physiciens nucléaires et les cosmologistes peuvent utiliser des faisceaux de noyaux atomiques nus , dépourvus d'électrons, pour étudier la structure, les interactions et les propriétés des noyaux eux-mêmes, ainsi que celles de la matière condensée à des températures et des densités extrêmement élevées, telles qu'elles ont pu régner aux premiers instants du Big Bang . Ces recherches impliquent souvent des collisions de noyaux lourds – d'atomes comme le fer ou l'or – à des énergies de plusieurs GeV par nucléon . Le plus grand accélérateur de particules de ce type est le collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) du Laboratoire national de Brookhaven .
Les accélérateurs de particules peuvent également produire des faisceaux de protons, capables de générer des isotopes riches en protons, utiles à des fins médicales ou de recherche , contrairement aux isotopes riches en neutrons produits dans les réacteurs à fission . Cependant, des travaux récents ont démontré qu'il est possible de produire du molybdène -99 (Mo -99) , généralement synthétisé dans des réacteurs, par accélération d'isotopes d'hydrogène , même si cette méthode nécessite toujours un réacteur pour produire du tritium . Le LANSCE, au Laboratoire national de Los Alamos , est un exemple de ce type d'installation .
rayonnement synchrotron
Les électrons se propageant dans un champ magnétique émettent des faisceaux de photons très brillants et cohérents par rayonnement synchrotron . Ce rayonnement trouve de nombreuses applications dans l'étude de la structure atomique, la chimie, la physique de la matière condensée, la biologie et les technologies. Il existe un grand nombre de sources de lumière synchrotron à travers le monde. Aux États-Unis, on peut citer le SSRL au SLAC National Accelerator Laboratory , l'APS à l'Argonne National Laboratory, l'ALS au Lawrence Berkeley National Laboratory et le NSLS-II au Brookhaven National Laboratory . En Europe, on trouve le MAX IV à Lund (Suède), le BESSY à Berlin (Allemagne), le Diamond dans l'Oxfordshire (Royaume-Uni) et l'ESRF à Grenoble (France), ce dernier ayant permis d'extraire des images tridimensionnelles détaillées d'insectes piégés dans l'ambre.
Les lasers à électrons libres (FEL) constituent une classe particulière de sources lumineuses basées sur le rayonnement synchrotron , produisant des impulsions plus courtes et à cohérence temporelle plus élevée . Un FEL spécialement conçu est la source de rayons X la plus brillante de l'univers observable . Les exemples les plus connus sont le LCLS aux États-Unis et l'European XFEL en Allemagne. L'intérêt se porte de plus en plus sur les lasers à rayons X mous , qui, associés à la réduction de la durée des impulsions, ouvrent la voie à de nouvelles méthodes pour l'étude de l'énergie à l'échelle de l'attoseconde . Outre les rayons X, les FEL sont utilisés pour émettre de la lumière térahertz , comme par exemple FELIX à Nimègue (Pays-Bas), TELBE à Dresde (Allemagne) et NovoFEL à Novossibirsk (Russie).
Il existe donc une forte demande d'accélérateurs d'électrons d'énergie modérée ( GeV ), de haute intensité et de haute qualité de faisceau pour alimenter les sources lumineuses.
Machines à basse énergie et thérapie par particules
Des exemples courants d'accélérateurs de particules sont les tubes cathodiques des téléviseurs et les générateurs de rayons X. Ces accélérateurs de basse énergie utilisent une seule paire d' électrodes avec une tension continue de quelques milliers de volts entre elles. Dans un générateur de rayons X, la cible est elle-même l'une des électrodes. Un accélérateur de particules de basse énergie appelé implanteur ionique est utilisé dans la fabrication des circuits intégrés .
À des énergies plus faibles, les faisceaux de noyaux accélérés sont également utilisés en médecine sous forme de thérapie par particules , pour le traitement du cancer.
Les types d'accélérateurs à courant continu capables d'accélérer des particules à des vitesses suffisantes pour provoquer des réactions nucléaires sont les générateurs Cockcroft-Walton ou multiplicateurs de tension , qui convertissent le courant alternatif en courant continu haute tension, ou les générateurs Van de Graaff qui utilisent l'électricité statique transportée par des courroies.
Stérilisation par irradiation des dispositifs médicaux
Le traitement par faisceau d'électrons est couramment utilisé pour la stérilisation. Cette technologie, qui fonctionne par intermittence, offre un débit de dose bien supérieur à celui des rayons gamma ou X émis par des radio-isotopes comme le cobalt-60 ( ⁶⁰Co ) ou le césium-137 ( ¹³⁷Cs ). Grâce à ce débit de dose plus élevé, le temps d'exposition nécessaire est réduit et la dégradation des polymères est minimisée. Les électrons étant chargés électriquement, les faisceaux d'électrons sont moins pénétrants que les rayons gamma et X.
accélérateurs de particules électrostatiques
Historiquement, les premiers accélérateurs utilisaient une technologie simple, celle d'une unique haute tension statique, pour accélérer des particules chargées. La particule chargée était accélérée dans un tube sous vide muni d'une électrode à chaque extrémité, la différence de potentiel statique étant appliquée entre les deux. Comme la particule ne traversait la différence de potentiel qu'une seule fois, l'énergie produite était limitée à la tension d'accélération de la machine. Bien que cette méthode reste très répandue aujourd'hui, les accélérateurs électrostatiques étant largement majoritaires, ils sont davantage adaptés aux études à basse énergie en raison de la limite pratique de tension d'environ 1 MV pour les machines à isolation par air, ou de 30 MV lorsque l'accélérateur fonctionne dans un réservoir de gaz sous pression à haute rigidité diélectrique , tel que l'hexafluorure de soufre . Dans un accélérateur tandem, le potentiel est utilisé deux fois pour accélérer les particules, en inversant leur charge lorsqu'elles se trouvent à l'intérieur de la borne. Ceci est possible grâce à l'accélération des noyaux atomiques à l'aide d'anions ( ions chargés négativement ), puis en faisant passer le faisceau à travers une feuille mince pour arracher des électrons aux anions à l'intérieur de la borne haute tension, les convertissant en cations (ions chargés positivement), qui sont à nouveau accélérés lorsqu'ils quittent la borne.
Les deux principaux types d'accélérateurs électrostatiques sont l' accélérateur Cockcroft-Walton , qui utilise un multiplicateur de tension à diode-condensateur pour produire une haute tension, et l' accélérateur Van de Graaff , qui utilise une courroie textile mobile pour acheminer la charge vers l'électrode haute tension. Bien que les accélérateurs électrostatiques accélèrent les particules en ligne droite, le terme « accélérateur linéaire » est plus souvent employé pour les accélérateurs qui utilisent des champs électriques oscillants plutôt que statiques.
accélérateurs de particules électrodynamiques (électromagnétiques)
En raison de la tension maximale imposée par la décharge électrique, l'accélération des particules à des énergies plus élevées repose sur des techniques utilisant des champs dynamiques plutôt que des champs statiques. L'accélération électrodynamique peut résulter de deux mécanismes : l'induction magnétique non résonante ou les circuits ou cavités résonants excités par des champs radiofréquences (RF) oscillants. Les accélérateurs électrodynamiques peuvent être linéaires , les particules étant accélérées en ligne droite, ou circulaires , les champs magnétiques induisant une trajectoire quasi circulaire pour les particules.
accélérateurs à induction magnétique
Les accélérateurs à induction magnétique accélèrent les particules par induction à partir d'un champ magnétique croissant, comme si les particules constituaient l'enroulement secondaire d'un transformateur. L'augmentation du champ magnétique crée un champ électrique circulaire qui peut être configuré pour accélérer les particules. Les accélérateurs à induction peuvent être linéaires ou circulaires.
accélérateurs à induction linéaire
Bétatrons
Pour obtenir un rayon orbital constant tout en fournissant le champ électrique d'accélération adéquat, il est nécessaire que le flux magnétique traversant l'orbite soit relativement indépendant du champ magnétique présent sur celle-ci, contraignant ainsi les particules à suivre une trajectoire de rayon constant. En pratique, ces machines ont été limitées par les importantes pertes radiatives subies par les électrons se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière sur une orbite de rayon relativement faible.
accélérateurs linéaires
Dans un accélérateur linéaire de particules (linac), les particules sont accélérées en ligne droite autour d'une cible située à une extrémité. Ces accélérateurs sont souvent utilisés pour fournir une impulsion initiale de faible énergie aux particules avant leur injection dans des accélérateurs circulaires. Le plus long linac au monde est l' accélérateur linéaire de Stanford (SLAC), qui mesure électron - positron , le SLAC est aujourd'hui un laser à électrons libres à rayons X.
Les accélérateurs linéaires de particules à haute énergie utilisent un réseau linéaire de plaques (ou tubes de dérive) auquel est appliqué un champ électrique alternatif de haute énergie. Lorsque les particules s'approchent d'une plaque, elles sont accélérées vers celle-ci par une charge de polarité opposée appliquée à la plaque. Lorsqu'elles traversent un orifice dans la plaque, la polarité s'inverse : la plaque les repousse alors et elles sont accélérées vers la plaque suivante. Généralement, un flux de particules est accéléré par paquets ; une tension alternative précisément contrôlée est donc appliquée à chaque plaque afin de répéter ce processus pour chaque paquet.
Lorsque les particules approchent la vitesse de la lumière, le taux de commutation des champs électriques devient si élevé qu'ils fonctionnent à des fréquences radio , et c'est pourquoi des cavités à micro-ondes sont utilisées dans les machines à haute énergie au lieu de simples plaques.
Les accélérateurs linéaires sont également largement utilisés en médecine , pour la radiothérapie et la radiochirurgie . Les accélérateurs linéaires de qualité médicale accélèrent les électrons à l'aide d'un klystron et d'un système complexe d'aimants courbes qui produit un faisceau d'énergie.MeV . Les électrons peuvent être utilisés directement ou être projetés sur une cible pour produire un faisceau de rayons X. La fiabilité, la flexibilité et la précision du faisceau de rayonnement ainsi obtenu ont largement supplanté l'ancienne thérapie au cobalt-60 .
Accélérateurs RF circulaires ou cycliques
Dans un accélérateur circulaire, les particules se déplacent en cercle jusqu'à atteindre une énergie suffisante. Leur trajectoire est généralement courbée en cercle grâce à des électroaimants . L'avantage des accélérateurs circulaires par rapport aux accélérateurs linéaires ( linacs ) réside dans le fait que leur topologie annulaire permet une accélération continue, la particule pouvant y transiter indéfiniment. Un autre avantage est leur taille réduite par rapport à celle d'un accélérateur linéaire de puissance comparable (un linac devrait être extrêmement long pour atteindre la puissance équivalente à celle d'un accélérateur circulaire).
Selon l'énergie et la nature de la particule accélérée, les accélérateurs circulaires présentent l'inconvénient d'émettre un rayonnement synchrotron . Lorsqu'une particule chargée est accélérée, elle émet un rayonnement électromagnétique et des émissions secondaires . Une particule se déplaçant sur un cercle étant toujours accélérée vers le centre de ce cercle, elle rayonne continuellement tangentiellement à sa surface. Ce rayonnement, appelé lumière synchrotron , dépend fortement de la masse de la particule accélérée. C'est pourquoi de nombreux accélérateurs d'électrons de haute énergie sont des accélérateurs linéaires. Certains accélérateurs ( synchrotrons ) sont cependant conçus spécifiquement pour produire de la lumière synchrotron ( rayons X ).
Puisque la théorie de la relativité restreinte exige que la matière se déplace toujours plus lentement que la lumière dans le vide , dans les accélérateurs de particules à haute énergie, la vitesse des particules tend vers celle de la lumière à mesure que l'énergie augmente, sans jamais l'atteindre. C'est pourquoi les physiciens des particules raisonnent généralement en termes d' énergie ou d'impulsion des particules , habituellement mesurée en électronvolts (eV), plutôt qu'en termes de vitesse. Un principe important pour les accélérateurs circulaires, et les faisceaux de particules en général, est que la courbure de la trajectoire des particules est proportionnelle à leur charge et au champ magnétique, mais inversement proportionnelle à leur impulsion (généralement relativiste ) .
Cyclotrons
Les cyclotrons atteignent une limite d'énergie en raison des effets relativistes : les particules deviennent plus massives, ce qui désynchronise leur fréquence cyclotronique par rapport au champ radiofréquence (RF) d'accélération. Par conséquent, les cyclotrons simples ne peuvent accélérer les protons qu'à une énergie d'environ 15 millions d'électronvolts (15 MeV, soit environ 10 % de la vitesse de la lumière ), car les protons se déphasent du champ électrique d'excitation. Si l'accélération était poussée davantage, le faisceau continuerait à spiraler vers un rayon plus grand, mais les particules n'atteindraient plus une vitesse suffisante pour décrire un cercle plus grand en phase avec le champ RF d'accélération. Pour compenser les effets relativistes, il est nécessaire d'augmenter l'intensité du champ magnétique à des rayons plus élevés, comme c'est le cas dans les cyclotrons isochrones . Le cyclotron annulaire du PSI en Suisse, par exemple , produit des protons à une énergie de 590 MeV, soit environ 80 % de la vitesse de la lumière. L'avantage d'un tel cyclotron réside dans le courant de protons extraits maximal qu'il peut atteindre, actuellement de 2,2 mA. L'énergie et le courant correspondent à une puissance de faisceau de 1,3 MW, la plus élevée de tous les accélérateurs existants.
Synchrocyclotrons et cyclotrons isochrones
Un cyclotron classique peut être modifié pour augmenter sa limite d'énergie. La première approche historique fut le synchrocyclotron , qui accélère les particules par paquets. Il utilise un champ magnétique constant , mais réduit la fréquence du champ accélérateur afin de synchroniser les particules lors de leur orbite en spirale, en accord avec leur fréquence de résonance cyclotronique , qui dépend de leur masse . Cette approche souffre d'une faible intensité moyenne du faisceau due au regroupement des particules, et nécessite un aimant massif de grand rayon et à champ constant sur l'orbite plus large requise par les hautes énergies.
La seconde approche pour accélérer les particules relativistes est le cyclotron isochrone . Dans une telle structure, la fréquence du champ accélérateur (et la fréquence de résonance cyclotronique) est maintenue constante pour toutes les énergies grâce à une géométrie des pôles de l'aimant qui augmente le champ magnétique avec le rayon. Ainsi, toutes les particules sont accélérées à intervalles de temps isochrones . Les particules de haute énergie parcourent une distance plus courte sur chaque orbite que dans un cyclotron classique, restant ainsi en phase avec le champ accélérateur. L'avantage du cyclotron isochrone est sa capacité à produire des faisceaux continus d'intensité moyenne plus élevée, utile pour certaines applications. Ses principaux inconvénients sont la taille et le coût de l'aimant nécessaire, ainsi que la difficulté à atteindre les fortes intensités de champ magnétique requises à la périphérie de la structure.
Aucun synchrocyclotron n'a été construit depuis la mise au point du cyclotron isochrone.
Synchrotrons
Pour atteindre des énergies encore plus élevées, avec une masse relativiste approchant ou dépassant la masse au repos des particules (pour les protons, des milliards d'électronvolts, soit GeV ), il est nécessaire d'utiliser un synchrotron . Il s'agit d'un accélérateur dans lequel les particules sont accélérées dans un anneau de rayon constant. Un avantage immédiat par rapport aux cyclotrons est que le champ magnétique n'est requis que sur la région des orbites des particules, qui est beaucoup plus étroite que celle de l'anneau. (Le plus grand cyclotron construit aux États-Unis possédait un pôle magnétique LEP et le LHC est de près de 10 km. L'ouverture des deux faisceaux du LHC est de l'ordre du centimètre.) Le LHC comprend 16 cavités RF, 1 232 aimants dipolaires supraconducteurs pour l'orientation du faisceau et 24 quadripôles pour sa focalisation. Même à cette taille, le LHC est limité par sa capacité à diriger les particules sans qu'elles ne dérivent. Cette limite serait théoriquement atteinte à 14 TeV.
Cependant, comme la quantité de mouvement des particules augmente lors de l'accélération, il est nécessaire d'accroître le champ magnétique B proportionnellement afin de maintenir une courbure constante de l'orbite. Par conséquent, les synchrotrons ne peuvent pas accélérer les particules en continu, contrairement aux cyclotrons, mais fonctionnent de manière cyclique, en fournissant des particules par paquets, qui sont ensuite dirigés vers une cible ou un faisceau externe par « déversements », généralement toutes les quelques secondes.
Étant donné que les synchrotrons à haute énergie effectuent la majeure partie de leur travail sur des particules qui se déplacent déjà à une vitesse proche de celle de la lumière c , le temps nécessaire pour effectuer une orbite complète de l'anneau est presque constant, tout comme la fréquence des résonateurs de cavité RF utilisés pour entraîner l'accélération.
In modern synchrotrons, the beam aperture is small and the magnetic field does not cover the entire area of the particle orbit as it does for a cyclotron, so several necessary functions can be separated. Instead of one huge magnet, one has a line of hundreds of bending magnets, enclosing (or enclosed by) vacuum connecting pipes. The design of synchrotrons was revolutionized in the early 1950s with the discovery of the strong focusing concept. The focusing of the beam is handled independently by specialized quadrupole magnets, while the acceleration itself is accomplished in separate RF sections, rather similar to short linear accelerators. Also, there is no necessity that cyclic machines be circular, but rather the beam pipe may have straight sections between magnets where beams may collide, be cooled, etc. This has developed into an entire separate subject, called "beam physics" or "beam optics".
More complex modern synchrotrons such as the Tevatron, LEP, and LHC may deliver the particle bunches into storage rings of magnets with a constant magnetic field, where they can continue to orbit for long periods for experimentation or further acceleration. The highest-energy machines such as the Tevatron and LHC are actually accelerator complexes, with a cascade of specialized elements in series, including linear accelerators for initial beam creation, one or more low energy synchrotrons to reach intermediate energy, storage rings where beams can be accumulated or "cooled" (reducing the magnet aperture required and permitting tighter focusing; see beam cooling), and a last large ring for final acceleration and experimentation.
Electron synchrotrons
A large number of electron synchrotrons have been built in the past two decades, as part of synchrotron light sources that emit ultraviolet light and X rays; see below.
Synchrotron radiation sources
Le rayonnement synchrotron est émis avec plus d'intensité par les particules légères ; c'est pourquoi ces accélérateurs sont invariablement des accélérateurs d'électrons . Le rayonnement synchrotron permet une meilleure imagerie, comme l'ont démontré les recherches et les développements menés au SPEAR du SLAC .
Accélérateurs à gradient alterné à champ fixe
Rhodotron
Un rhodotron est un accélérateur d'électrons industriel, proposé pour la première fois en 1987 par J. Pottier du CEA (Conseil central de l'énergie atomique) et fabriqué par la société belge Ion Beam Applications . Il accélère les électrons en les faisant recirculer à travers le diamètre d'une cavité radiofréquence cylindrique. Un rhodotron possède un canon à électrons qui émet un faisceau d'électrons attiré par un pilier situé au centre de la cavité. Ce pilier est percé de trous permettant le passage des électrons. Le faisceau traverse le pilier par l'un de ces trous, puis un trou dans la paroi de la cavité, où il rencontre un aimant de déviation. Le faisceau est alors dévié et renvoyé dans la cavité, vers un autre trou du pilier. Les électrons traversent ensuite à nouveau le pilier, puis une autre partie de la paroi de la cavité, et enfin un autre aimant de déviation. Ce processus se répète, augmentant progressivement l'énergie du faisceau jusqu'à sa sortie de la cavité. Le cylindre et le pilier peuvent être revêtus de cuivre à l'intérieur.
Histoire
Le premier grand synchrotron à protons fut le Cosmotron du Laboratoire national de Brookhaven , qui accélérait les protons jusqu'à environ 3 GeV (1953-1968). Le Bevatron de Berkeley, achevé en 1954, fut spécifiquement conçu pour accélérer les protons à une énergie suffisante pour créer des antiprotons et vérifier la symétrie particule-antiparticule de la nature, alors seulement théorisée. Le synchrotron à gradient alterné (AGS) de Brookhaven (1960-) fut le premier grand synchrotron doté d'aimants à gradient alterné et à forte focalisation , ce qui réduisait considérablement l'ouverture requise du faisceau et, par conséquent, la taille et le coût des aimants de courbure. Le synchrotron à protons , construit au CERN (1959-), fut le premier grand accélérateur de particules européen et était globalement similaire à l'AGS.
L' accélérateur linéaire de Stanford ( SLAC) est entré en service en 1966. Il accélère des électrons jusqu'à 30 GeV dans un guide d'ondes de 3 km de long, enfoui dans un tunnel et alimenté par des centaines de klystrons . Il demeure le plus grand accélérateur linéaire au monde et a été modernisé par l'ajout d'anneaux de stockage et d'un collisionneur électron-positron. Il constitue également une source de photons synchrotron X et UV.
Le Tevatron du Fermilab possède un anneau dont le trajet optique mesure synchrotron LEP du CERN, d'une circonférence de 26,6 kilomètres. Il s'agissait d'un collisionneur électron- positron . Il atteignait une énergie de 209 GeV avant d'être démantelé en 2000 afin que le tunnel puisse être utilisé pour le Grand collisionneur de hadrons (LHC). Le LHC est un collisionneur de protons et est actuellement l'accélérateur le plus grand et le plus puissant au monde, atteignant une énergie de 6,5 TeV par faisceau (13 TeV au total).
Le projet avorté de super-collisionneur supraconducteur (SSC) au Texas aurait eu une circonférence de 87 km. Sa construction a débuté en 1991, mais a été abandonnée en 1993. Les très grands accélérateurs circulaires sont invariablement construits dans des tunnels de quelques mètres de large afin de minimiser les perturbations et les coûts liés à la construction d'une telle structure en surface, et de fournir une protection contre les rayonnements secondaires intenses qui se produisent, lesquels sont extrêmement pénétrants aux hautes énergies.
Les accélérateurs actuels, tels que la Source de neutrons par spallation , intègrent des cryomodules supraconducteurs . Le collisionneur d'ions lourds relativistes et le Grand collisionneur de hadrons utilisent également des aimants supraconducteurs et des résonateurs à cavité RF pour accélérer les particules.
Cibles
Le faisceau d'un accélérateur de particules peut généralement être dirigé vers plusieurs lignes d'expériences, une à la fois, grâce à un électroaimant de déviation . Ceci permet de mener plusieurs expériences simultanément sans avoir à déplacer le matériel ni à interrompre l'ensemble du faisceau. À l'exception des sources de rayonnement synchrotron, un accélérateur a pour but de générer des particules de haute énergie destinées à interagir avec la matière.
Il s'agit généralement d'une cible fixe, comme le revêtement phosphorescent à l'arrière de l'écran d'un tube cathodique ; un morceau d' uranium dans un accélérateur conçu comme source de neutrons ; ou une cible en tungstène pour un générateur de rayons X. Dans un accélérateur linéaire, la cible est simplement fixée à l'extrémité de l'accélérateur. La trajectoire des particules dans un cyclotron est une spirale partant du centre de la machine circulaire ; les particules accélérées émergent donc d'un point fixe, comme dans un accélérateur linéaire.
Pour les synchrotrons, la situation est plus complexe. Les particules sont accélérées jusqu'à l'énergie souhaitée. Ensuite, un aimant dipolaire à action rapide est utilisé pour les faire sortir du tube synchrotron circulaire et les diriger vers la cible.
Une variante couramment utilisée en physique des particules est le collisionneur , également appelé collisionneur à anneaux de stockage . Deux synchrotrons circulaires sont construits à proximité l'un de l'autre , généralement superposés et utilisant les mêmes aimants (dont la conception est alors plus complexe pour accueillir les deux tubes à faisceau). Des paquets de particules circulent en sens inverse autour des deux accélérateurs et entrent en collision à leur point d'intersection. Cela permet d'accroître considérablement l'énergie ; alors que dans une expérience à cible fixe, l'énergie disponible pour produire de nouvelles particules est proportionnelle à la racine carrée de l'énergie du faisceau, dans un collisionneur, cette énergie est linéaire.des électroaimants et des accélérateurs puissants pour générer suffisamment d’informations exploitables.
rigidité accrue du faisceau .Pour les accélérateurs d'électrons cycliques, les pertes par rayonnement synchrotron limitent le rayon de courbure pratique, et la prochaine génération sera probablement constituée d'accélérateurs linéaires dix fois plus longs que les actuels. Le projet de collisionneur linéaire international (ILC), d'une longueur de 40 km, en est un exemple .
On pense que l'accélération par sillage plasma, sous forme de « postcombustion » de faisceaux d'électrons et d'accélérateurs laser autonomes, pourrait permettre d'accroître considérablement l'efficacité des accélérateurs RF d'ici deux à trois décennies. Dans les accélérateurs par sillage plasma, la cavité du faisceau est remplie de plasma (et non de vide). Une brève impulsion d'électrons ou de lumière laser constitue ou précède immédiatement les particules à accélérer. Cette impulsion perturbe le plasma, ce qui provoque l'intégration des particules chargées du plasma dans le faisceau de particules accélérées et leur déplacement vers l'arrière. Ce processus transfère de l'énergie au faisceau, l'accélérant davantage, et se poursuit tant que l'impulsion est cohérente.
Des gradients d'énergie atteignant 200 GeV/m ont été obtenus sur des distances millimétriques grâce à des générateurs d'impulsions laser , et des gradients proches de 1 GeV/m sont produits à l'échelle multicentimétrique avec des systèmes à faisceau d'électrons, contre une limite d'environ 0,1 GeV/m pour l'accélération par radiofréquence seule. Les accélérateurs d'électrons existants, tels que le SLAC, pourraient utiliser des postcombusteurs pour faisceaux d'électrons afin d'accroître considérablement l'énergie de leurs faisceaux de particules, au détriment de l'intensité du faisceau. Les systèmes à électrons permettent généralement d'obtenir des faisceaux fortement collimatés et fiables ; les systèmes laser offrent quant à eux une puissance et une compacité accrues. Ainsi, les accélérateurs à sillage plasma pourraient être utilisés – si les problèmes techniques sont résolus – à la fois pour augmenter l'énergie maximale des plus grands accélérateurs et pour acheminer les hautes énergies vers les laboratoires universitaires et les centres médicaux.
Des gradients supérieurs à 0,25 GeV/m ont été obtenus avec un accélérateur laser diélectrique , ce qui pourrait constituer une autre approche viable pour la construction d'accélérateurs compacts à haute énergie . En utilisant des impulsions laser de durée femtoseconde, un gradient d'accélération d'électrons de 0,69 GeV/m a été enregistré pour des accélérateurs laser diélectriques . Des gradients plus élevés, de l'ordre de…Elbe . La série d'ateliers sur le concept d'accélérateur avancé, organisée aux États-Unis , a débuté en tant que série internationale en 1982 La série d'ateliers européens sur le même sujet a débuté en 2019 . Thèmes liés au concept d'accélérateur avancé :
- canon à électrons , surveillance et contrôle. Voir la physique des accélérateurs.
- Simulation informatique pour la physique des accélérateurs
- Technologie laser pour l'accélération des particules
- Génération de rayonnement électromagnétique
- collisionneur de muons
D'après le problème de la diffusion inverse , tout mécanisme par lequel une particule produit un rayonnement (où l'énergie cinétique de la particule est transférée au champ électromagnétique ) peut être inversé de sorte que ce même mécanisme de rayonnement conduise à l'accélération de la particule (l'énergie du champ de rayonnement est convertie en énergie cinétique de la particule). L'inverse est également vrai : tout mécanisme d'accélération peut être inversé pour déposer l'énergie de la particule dans un champ décélérant, comme dans un système de récupération d'énergie cinétique . C'est le principe qui permet la réalisation d'un accélérateur linéaire à récupération d'énergie . Ce principe, également à la base des accélérateurs à plasma ou à sillage diélectrique, a conduit à d'autres développements intéressants dans le domaine des accélérateurs avancés.
- Le rayonnement Cherenkov a conduit à un accélérateur de rayonnement Cherenkov inverse.
- Le laser à électrons libres a conduit à l'accélérateur laser à électrons libres inverse.
- Un laser peut également être inversé pour produire l'accélération d'électrons.
Production de trous noirs et préoccupations en matière de sécurité publique
Opérateur d'accélérateur
L'utilisation de technologies de pointe telles que la supraconductivité, la cryogénie et les amplificateurs radiofréquences de forte puissance, ainsi que la présence de rayonnements ionisants, constituent des défis pour la sécurité d'exploitation des installations d'accélérateurs de particules. L' opérateur d'accélérateur contrôle le fonctionnement de l'accélérateur, ajuste les paramètres de fonctionnement tels que le rapport d'aspect , l'intensité du courant et la position sur la cible. Il communique avec le personnel de maintenance et l'assiste afin de garantir le bon fonctionnement des systèmes auxiliaires, tels que le vide , les aimants , les alimentations et les commandes magnétiques et radiofréquences , et les systèmes de refroidissement. De plus, l'opérateur d'accélérateur tient un registre des événements liés à l'accélérateur.