Accélérateur de particules - Définition et Explications

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Caractéristiques communes

Tous les accélérateurs de particules sont constitués de plusieurs sous-ensembles successifs, remplissant diverses fonctions, de la source à la cible et dans un vide poussé :

  • Production et émission des particules chargées (par exemple grâce à une cathode) : ions (proton) ou électrons en général, antiparticules comme l'antiproton et le positron (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron. Il possède une charge électrique de +1 (contre -1 pour l'électron), le même spin et la même masse que...).
  • l'injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :) dans le tube cylindrique vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est...) où les particules seront accélérées.
  • l'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une grandeur...) proprement dite (éventuellement par plusieurs sections successives), utilisant des procédés techniques divers : champs électriques continus ou alternatifs à haute fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence sans...).
  • le guidage du faisceau le long de l'accélérateur à l'aide de déflecteurs électrostatiques ou magnétiques.
  • la focalisation du faisceau pour empêcher sa divergence (lentilles électrostatiques ou magnétiques).
  • enfin la préparation du faisceau de particules à son utilisation :
    • déflecteurs qui déplacent le faisceau dans la direction voulue.
    • système de collimation (également pour les applications médicales).
    • détecteurs des particules.
    • cible (épaisse ou mince), métallique destinée à produire des rayons X de haute 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.) (notamment pour les applications médicales). La cible peut être un autre faisceau.
    • raccordement à un autre accélérateur (recherche en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) des particules).

Discipline

L'étude et la conception des accélérateurs de particules est une discipline extêmement riche car au confluent (Un confluent, ou point de confluence, est le lieu où se rejoignent deux (parfois plus) cours d'eau.) de nombreuses physiques et technologies de pointes :

  • Source de particules \to Physique atomique, ionique, des plasmas, interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) particules-matière.
  • Chambre de l'accélérateur \to Techniques du vide et de l'utra-vide.
  • Structures accélératrices et de transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par assimilation, des actions de...) \to Techniques du vide, Mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de...), thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur...), électromagnétisme (L'électromagnétisme est une branche de la physique qui fournit un cadre très général d'étude des phénomènes électriques et magnétiques dans leur synthèse du champ...), supraconductivité (La supraconductivité (ou supraconduction) est un phénomène caractérisé par l'absence de résistance électrique et l'annulation du champ...), électronique HF.
  • Contrôle-commande \to informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le...), automatisme ( Techniquement, un automatisme est un sous-ensemble ou un organe de machine(s) destiné à remplacer de façon automatisée une action ou décision habituelle et prédéfinie sans intervention de l'être humain. L'Automatique (nom...), électronique BF.
  • Diagnostic (Le diagnostic (du grec δι?γνωση, diágnosi, à partir de δια-, dia-, „par, à travers, séparation, distinction“ et γν?ση, gnósi, „la...) \to Interaction particules-matière, traitement du signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. ...).
  • Hautes tensions \to Electrotechnique.
  • Radioprotection (La radioprotection désigne l'ensemble des mesures prises pour assurer la protection de l'homme et de son environnement contre les effets néfastes des rayonnements ionisants.) \to Physique nucléaire (La physique nucléaire est la description et l'étude du principal constituant de l'atome : le noyau atomique. On peut distinguer :).
  • Dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) des faisceaux \to relativité, cinématique (En physique, la cinématique est la discipline de la mécanique qui étudie le mouvement des corps, en faisant abstraction des causes du mouvement (celles-ci sont généralement modélisées par des...), dynamique hamiltonienne, transport, statistiques (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle comprend la collecte, l'analyse, l'interprétation de données ainsi que la présentation de ces ressources afin de les rendre...), simulation numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition à une information dite « analogique » qui...).

En plus de la physique qui lui est propre, l'étonnante variété des applications des accélérateurs permet à ses physiciens de cotoyer de nombreuses communautés de chercheurs (cf. paragraphe précédent)


La discipline, de part les projets gigantesques qu'elle engendre, possède une dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une...) internationale. Elle est représentée et animée en France par une division (La division est une loi de composition qui à deux nombres associe le produit du premier par l'inverse du second. Si un nombre est non nul, la fonction...) à la Société Française de Physique et en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme...) par un groupe à l’European Physical Society. Ces entités, en collaboration avec les autres sociétés savantes étrangères (USA, Russie, Japon, Chine,...), organisent de nombreuses conférences et workshops (conférences).


En France, la physique et technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) des accélérateurs est enseignée, à partir du niveau master 2, par quelques universités ou organismes européens. Citons, par exemple, un master de l'université Paris-sud 11 (L'université Paris-Sud 11 est une université française créée le 1er janvier 1971 et située sur les départements de l'Essonne, des Hauts-de-Seine et du Val-de-Marne. Elle comporte...), la Joint Universities Accelerator School, ou les différentes sessions de l'école des accélérateurs du CERN.

Les accélérateurs circulaires

Ce sont les accélérateurs circulaires qui détiennent le record d'énergie. Il est facile de comprendre pourquoi. L'énergie reçue par mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international (SI). Il est défini, depuis 1983, comme la distance parcourue par la lumière...) de trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.), c'est-à-dire l'intensité du 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...) accélérateur, est limitée par des facteurs physiques et techniques. En « enroulant » la trajectoire, on obtient l'équivalent d'un accélérateur rectiligne ayant, non pas des kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le...), mais des milliers de kilomètres de longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet complètement...).

Parmi les « circulaires » on distingue d'abord ceux qui emploient un champ magnétique fixe, (et un aimant (Un aimant est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont le champ rémanent et l'excitation coercitive sont grands (voir ci-dessous). Cela lui donne des...) massif) et où, par suite, les trajectoires sont des spirales : ce sont le cyclotron (E. Lawrence, 1929) et le synchrocyclotron (conçu à Berkeley en 1946). Au contraire, dans les synchrotrons (E. Mc Millan et V. Veksler), le champ magnétique varie pendant l'accélération, de telle sorte que celle-ci a lieu sur un cercle (Un cercle est une courbe plane fermée constituée des points situés à égale distance d'un point nommé centre. La valeur de cette distance est appelée rayon du cercle. Celui-ci étant infiniment variable, il...) invariable et que l'électroaimant (Un électro-aimant est un organe électrotechnique produisant un champ électromagnétique lorsqu'il est alimenté en électricité. Il est constitué d'un bobinage et souvent d'une pièce en matériau...) (annulaire) est, à énergie égale, considérablement réduit. Les synchrotrons sont donc, pour des raisons économiques, les accélérateurs permettant d'avoir des orbites de très grand rayon.

On distingue ainsi deux types d'accélérateurs circulaires :

  • les cyclotrons :

Les trajectoires des particules sont des spirales ((voir page de discussion)), sont constitués d'un seul aimant de courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure quantitative du caractère « plus ou moins courbé » de cet objet. Par...) dont le diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la...) peut atteindre plusieurs mètres. Historiquement, le cyclotron a permis la découverte de plusieurs particules fondamentales. Ils peuvent accélérer des particules chargées, des ions lourds mais pas les électrons. En France, le GANIL (Grand accélérateur national d’ions lourds) situé à Caen est constitué de deux cyclotrons isochrones.

L'électroaimant du synchrocyclotron au centre de protonthérapie (La protonthérapie est une technique particulière de radiothérapie visant à détruire les cellules cancéreuses en les irradiant avec un faisceau de particules. Contrairement à la...) d'Orsay
  • les synchrotrons :

Contrairement au cyclotron, le champ magnétique n'est pas appliqué sur toute la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa mesure, sa...) circulaire, mais uniquement sur la circonférence. Dans ce type d'accélérateur, les particules circulent sur la même trajectoire presque circulaire à l'intérieur d'une série d'aimants de courbure. L'accélération est réalisée par un champ électrique résonnant. Le courant alternatif (Le courant alternatif (qui peut être abrégé par CA, ou AC, pour Alternating Current en anglais, étant cependant souvent utilisé) est un...) est appliqué seulement sur l'intervalle et non sur tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) le parcours des particules. Plus l'énergie augmente, plus la fréquence du signal alternatif appliqué sur l'intervalle doit augmenter, pour maintenir l'accélération constante. Afin de maintenir les particules sur la même trajectoire, le champ magnétique augmente au fur (Fur est une petite île danoise dans le Limfjord. Fur compte environ 900 hab. . L'île couvre une superficie de 22 km². Elle est située dans la Municipalité de Skive.) et à mesure que l'énergie des particules augmente. Ces machines ont permis de découvrir de nombreuses particules élémentaires. Un des premiers synchrotrons, le Bévatron (Berkeley, 1954) servit à démontrer l'existence de l'antiproton. Les synchrotrons ont permis d'obtenir des preuves expérimentales d'éléments fondamentaux comme les quarks. Ils sont utilisés dans les collisionneurs actuels. Il y a ceux qui accélèrent les électrons (comme le LEP) et ceux qui accélèrent les protons (comme le SPS). Aujourd'hui un synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) (même de troisième génération) est un très grand instrument banalisé, partagé, accessible, formateur (Voir :) et pluridisciplinaire. La lumière synchrotron (rayonnement synchrotron) fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et...) de demande de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) d'accès en forte croissance dans tous les pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la civitas gallo-romaine. Comme la civitas qui subsiste le plus souvent...) du monde (Le mot monde peut désigner :), en particulier en France.

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