En raison du plafond de haute tension imposé par les décharges électriques, pour accélérer les particules à des énergies plus élevées, des techniques impliquant des champs dynamiques plutôt que des champs statiques sont utilisées. Laccélération électrodynamique peut résulter de lun ou lautre de deux mécanismes: linduction magnétique non résonnante, ou des circuits ou cavités résonants excités par des champs RF oscillants. Les accélérateurs électrodynamiques peuvent être linéaires, avec des particules accélérant en ligne droite, ou circulaires, utilisant des champs magnétiques pour plier les particules sur une orbite à peu près circulaire.
Accélérateurs à induction magnétiqueModifier
Les accélérateurs à induction magnétique accélèrent particules par induction à partir dun champ magnétique croissant, comme si les particules étaient lenroulement secondaire dun transformateur. Le champ magnétique croissant crée un champ électrique circulant qui peut être configuré pour accélérer les particules. Les accélérateurs à induction peuvent être linéaires ou circulaires.
Accélérateurs à induction linéaireModifier
Les accélérateurs à induction linéaire utilisent des charges de ferrite, non résonantes cavités dinduction. Chaque cavité peut être considérée comme deux grands disques en forme de rondelle reliés par un tube cylindrique extérieur. Entre les disques se trouve un tore de ferrite. Une impulsion de tension appliquée entre les deux disques provoque un champ magnétique croissant qui couple inductivement la puissance dans le faisceau de particules chargées.
Laccélérateur à induction linéaire a été inventé par Christofilos dans les années 1960. Les accélérateurs à induction linéaire sont capables daccélérer des courants de faisceau très élevés (> 1000 A) en une seule impulsion courte. Ils ont été utilisés pour générer des rayons X pour la radiographie flash (par exemple DARHT au LANL), et ont été considérés comme des injecteurs de particules pour la fusion par confinement magnétique et comme des pilotes pour les lasers à électrons libres.
BetatronsEdit
Le Betatron est un accélérateur à induction magnétique circulaire, inventé par Donald Kerst en 1940 pour accélérer les électrons. Le concept vient finalement du scientifique norvégien-allemand Rolf Widerøe. Ces machines, comme les synchrotrons, utilisent un aimant annulaire en forme de beignet (voir ci-dessous) avec un champ B cycliquement croissant, mais accélèrent les particules par induction à partir du champ magnétique croissant, comme sil sagissait de lenroulement secondaire dun transformateur, en raison du changer le flux magnétique à travers lorbite.
Pour atteindre un rayon orbital constant tout en fournissant le champ électrique daccélération approprié, il faut que le flux magnétique reliant lorbite soit quelque peu indépendant du champ magnétique sur lorbite, ce qui plie les particules en une constante courbe de rayon. Ces machines ont en pratique été limitées par les importantes pertes radiatives subies par les électrons se déplaçant à presque la vitesse de la lumière dans une orbite de rayon relativement petit.
Accélérateurs linéairesModifier
Fréquence radio supraconductrice moderne, composant daccélérateur linéaire multicellulaire.
Dans un accélérateur de particules linéaire (linac), les particules sont accélérées en ligne droite avec une cible dintérêt à une extrémité. Ils sont souvent utilisés pour donner un premier coup de fouet aux particules avant quelles ne soient injectées dans des accélérateurs circulaires. Le linac le plus long du monde est laccélérateur linéaire de Stanford, SLAC, dune longueur de 3 km (1,9 mi). Le SLAC est un collisionneur électron-positon.
Les accélérateurs linéaires à haute énergie utilisent un réseau linéaire de plaques (ou tubes de dérive) auxquels un champ alternatif de haute énergie est appliqué. Lorsque les particules sapprochent dune plaque, elles sont accélérées vers elle par une charge de polarité opposée appliquée sur la plaque. Lorsquils passent à travers un trou dans la plaque, la polarité est commutée de sorte que la plaque les repousse maintenant et ils sont maintenant accélérés par elle vers la plaque suivante. Normalement, un flux de « paquets » de particules est accéléré, donc une tension alternative soigneusement contrôlée est appliquée à chaque plaque pour répéter continuellement ce processus pour chaque groupe.
À mesure que les particules approchent de la vitesse de la lumière, le taux de commutation des champs électriques devient si élevé quils fonctionnent à des fréquences radio, et ainsi les cavités micro-ondes sont utilisées dans des machines à plus haute énergie au lieu de simples plaques.
Les accélérateurs linéaires sont également largement utilisés en médecine, pour la radiothérapie et la radiochirurgie. Les linacs de qualité médicale accélèrent les électrons à laide dun klystron et dun agencement complexe daimants de courbure qui produit un faisceau dénergie de 6-30 MeV. Les électrons peuvent être utilisés directement ou ils peuvent entrer en collision avec une cible pour produire un faisceau de rayons X. La fiabilité, la flexibilité et la précision du faisceau de rayonnement produit ont largement supplanté lutilisation plus ancienne de la thérapie au cobalt-60 comme outil de traitement.
Accélérateurs RF circulaires ou cycliquesModifier
Dans laccélérateur circulaire , les particules se déplacent en cercle jusquà ce quelles atteignent une énergie suffisante.La piste des particules est généralement pliée en cercle à laide délectroaimants. Lavantage des accélérateurs circulaires par rapport aux accélérateurs linéaires (linacs) est que la topologie en anneau permet une accélération continue, car la particule peut transiter indéfiniment. Un autre avantage est quun accélérateur circulaire est plus petit quun accélérateur linéaire de puissance comparable (cest-à-dire quun linac devrait être extrêmement long pour avoir la puissance équivalente dun accélérateur circulaire).
En fonction de lénergie et de la puissance les particules étant accélérées, les accélérateurs circulaires souffrent dun inconvénient en ce que les particules émettent un rayonnement synchrotron. Lorsquune particule chargée est accélérée, elle émet un rayonnement électromagnétique et des émissions secondaires. Comme une particule se déplaçant dans un cercle accélère toujours vers le centre du cercle, elle rayonne continuellement vers la tangente du cercle. Ce rayonnement est appelé lumière synchrotron et dépend fortement de la masse de la particule en accélération. Pour cette raison, de nombreux accélérateurs délectrons à haute énergie sont des linacs. Certains accélérateurs (synchrotrons) sont cependant construits spécialement pour produire de la lumière synchrotron (rayons X).
Puisque la théorie spéciale de la relativité exige que la matière se déplace toujours plus lentement que la vitesse de la lumière dans le vide, en accélérateurs dénergie, à mesure que lénergie augmente, la vitesse des particules approche la vitesse de la lumière comme une limite, mais ne latteint jamais. Par conséquent, les physiciens des particules ne pensent généralement pas en termes de vitesse, mais plutôt en termes dénergie ou de quantité de mouvement dune particule, généralement mesurée en électron-volts (eV). Un principe important pour les accélérateurs circulaires, et les faisceaux de particules en général, est que la courbure de la trajectoire de la particule est proportionnelle à la charge de la particule et au champ magnétique, mais inversement proportionnelle à limpulsion (typiquement relativiste).
CyclotronsEdit
Lawrence » cyclotron de 60 pouces, avec pôles magnétiques de 60 pouces (5 pieds, 1,5 mètre) de diamètre, à lUniversité de Californie Lawrence Radiation Laboratory, Berkeley, en Août 1939, laccélérateur le plus puissant du monde à lépoque. Glenn T. Seaborg et Edwin McMillan (à droite) lont utilisé pour découvrir le plutonium, le neptunium et de nombreux autres éléments et isotopes transuraniens, pour lesquels ils ont reçu le prix Nobel de chimie en 1951.
Les premiers accélérateurs circulaires opérationnels étaient les cyclotrons, inventés en 1929 par Ernest Lawrence à lUniversité de Californie, Berkeley. Les cyclotrons ont une seule paire de plaques creuses en forme de «D» pour accélérer les particules et un seul grand aimant dipolaire pour plier leur chemin dans une orbite circulaire. Cest une propriété caractéristique des particules chargées dans un champ magnétique B uniforme et constant quelles orbitent avec une période constante, à une fréquence appelée fréquence cyclotron, tant que leur vitesse est faible par rapport à la vitesse de la lumière c. Cela signifie que laccélération D « s dun cyclotron peut être entraînée à une fréquence constante par une source dénergie accélératrice de radiofréquence (RF), alors que le faisceau tourne continuellement vers lextérieur. Les particules sont injectées au centre de laimant et sont extraites à le bord extérieur à leur énergie maximale.
Les cyclotrons atteignent une limite dénergie en raison deffets relativistes par lesquels les particules deviennent effectivement plus massives, de sorte que leur fréquence cyclotron tombe en désynchronisation avec le RF en accélération. Par conséquent, de simples cyclotrons ne peut accélérer les protons qu’à une énergie d’environ 15 millions d’électrons volts (15 MeV, correspondant à une vitesse d’environ 10% de c), car les protons sont déphasés par rapport au champ électrique d’entraînement. En cas d’accélération supplémentaire, le faisceau continuerait en spirale vers lextérieur à un plus grand rayon, mais les particules ne gagneraient plus assez de vitesse pour compléter le cercle plus grand en phase avec laccélération RF. Pour sadapter aux effets relativistes, le champ magnétique a besoin à augmenter à des rayons plus élevés comme cela se fait dans les cyclotrons isochrones Un exemple de cyclotron isochrone est le cyclotron en anneau PSI en Suisse, qui fournit des protons à lénergie de 590 MeV, ce qui correspond à environ 80% de la vitesse de la lumière. Lavantage dun tel cyclotron est le courant de proton extrait maximum pouvant être atteint qui est actuellement de 2,2 mA. Lénergie et le courant correspondent à une puissance de faisceau de 1,3 MW qui est la plus élevée de tous les accélérateurs existants.
Synchrocyclotrons et cyclotrons isochrones Modifier
Un aimant dans le synchrocyclotron du centre de protonthérapie dOrsay
Un cyclotron classique peut être modifié pour augmenter sa limite dénergie. La première approche historiquement était le synchrocyclotron, qui accélère les particules en grappes.Il utilise un champ magnétique constant B {\ displaystyle B}, mais réduit la fréquence du champ d’accélération de manière à maintenir les particules en phase lors de leur spirale vers l’extérieur, correspondant à leur fréquence de résonance cyclotronique en fonction de la masse. Cette approche souffre d’un faisceau moyen faible. intensité due au groupage, et encore une fois du besoin dun énorme aimant de grand rayon et de champ constant sur lorbite plus grande exigée par la haute énergie.
La deuxième approche du problème de laccélération des particules relativistes est lisochrone Dans une telle structure, la fréquence du champ accélérateur (et la fréquence de résonance du cyclotron) est maintenue constante pour toutes les énergies en façonnant les pôles de laimant de manière à augmenter le champ magnétique avec le rayon. Ainsi, toutes les particules sont accélérées dans des intervalles de temps isochrones. Les particules dénergie plus élevée parcourent une distance plus courte dans chaque orbite que dans un cyclotron classique, restant ainsi en phase avec le champ accélérateur. Lavantage du cyclotron isochrone est quil peut fournir des faisceaux continus dintensité moyenne plus élevée, ce qui est utile pour certaines applications. Les principaux inconvénients sont la taille et le coût du grand aimant nécessaire, et la difficulté dobtenir les valeurs de champ magnétique élevées requises au bord extérieur de la structure.
Les synchrocyclotrons nont pas été construits depuis que le cyclotron isochrone a été développé.
SynchrotronsEdit
Photo aérienne du Tevatron au Fermilab, qui ressemble à un huit. Laccélérateur principal est lanneau ci-dessus; celui ci-dessous (environ la moitié du diamètre, malgré les apparences) est pour laccélération préliminaire, le refroidissement et le stockage du faisceau, etc.
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 délectrons volts ou GeV), il est nécessaire dutiliser un synchrotron. Il sagit dun 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 na besoin dêtre présent que sur la région réelle des orbites des particules, qui est beaucoup plus étroite que celle de lanneau. (Le plus grand cyclotron construit aux États-Unis avait un pôle magnétique de 184 pouces (4,7 m) de diamètre, tandis que le diamètre des synchrotrons tels que le LEP et le LHC est de près de 10 km. Louverture des deux faisceaux du LHC est de de lordre du centimètre.) Le LHC contient 16 cavités RF, 1 232 aimants dipôles supraconducteurs pour lorientation du faisceau et 24 quadripôles pour la focalisation du faisceau. Même à cette taille, le LHC est limité par sa capacité à diriger les particules sans quelles ne dérivent. Cette limite est théorisée pour se produire à 14TeV.
Cependant, puisque la quantité de mouvement des particules augmente pendant laccélération, il est nécessaire daugmenter le champ magnétique B proportionnellement pour maintenir une courbure constante de lorbite. En conséquence, les synchrotrons ne peuvent pas accélérer les particules en continu, comme le peuvent les cyclotrons, mais doivent fonctionner de manière cyclique, fournissant des particules en grappes, qui sont livrées à une cible ou à un faisceau externe dans des « déversements » de faisceau généralement toutes les quelques secondes.
Étant donné que les synchrotrons à haute énergie effectuent la plupart de leur travail sur des particules qui se déplacent déjà presque à la vitesse de la lumière c, le temps nécessaire pour terminer une orbite de lanneau est presque constant, tout comme la fréquence des résonateurs à cavité RF utilisés pour entraîner laccélération. .
Dans les synchrotrons modernes, louverture du faisceau est petite et le champ magnétique ne couvre pas toute la zone de lorbite des particules comme il le fait pour un cyclotron, donc plusieurs fonctions nécessaires peuvent être séparées. Au lieu dun énorme aimant, on a une ligne de centaines daimants de courbure, enfermant (ou enfermés par) des tuyaux de raccordement sous vide. La conception des synchrotrons a été révolutionnée au début des années 1950 avec la découverte du concept de focalisation fort. La focalisation du faisceau est gérée indépendamment par des aimants quadripolaires spécialisés, tandis que laccélération elle-même est accomplie dans des sections RF séparées, assez similaires aux accélérateurs linéaires courts. En outre, il nest pas nécessaire que les machines cycliques soient circulaires, mais plutôt le tube de faisceau peut avoir des sections droites entre les aimants où les faisceaux peuvent entrer en collision, être refroidis, etc. Cela sest développé en un sujet entièrement séparé, appelé «physique du faisceau» ou «faisceau» optique « .
Des synchrotrons modernes plus complexes tels que le Tevatron, le LEP et le LHC peuvent livrer les paquets de particules dans des anneaux de stockage daimants avec un champ magnétique constant, où ils peuvent continuer à orbiter pendant de longues périodes pour lexpérimentation ou une accélération supplémentaire.Les machines à plus haute énergie telles que le Tevatron et le LHC sont en fait des complexes daccélérateurs, avec une cascade déléments spécialisés en série, y compris des accélérateurs linéaires pour la création initiale du faisceau, un ou plusieurs synchrotrons à basse énergie pour atteindre lénergie intermédiaire, des anneaux de stockage où les faisceaux peuvent être accumulé ou « refroidi » (réduisant louverture de laimant nécessaire et permettant une mise au point plus serrée; voir refroidissement du faisceau), et un dernier grand anneau pour laccélération finale et lexpérimentation.
Segment dun synchrotron à électrons à DESY
Synchrotrons à électronsEdit
Les accélérateurs circulaires délectrons sont tombés quelque peu en disgrâce pour la physique des particules à lépoque où laccélérateur linéaire de particules du SLAC a été construit, car leurs pertes synchrotron étaient considérées comme économiquement prohibitives et parce que leur intensité de faisceau était inférieure à celle des machines linéaires non pulsées . Le mais ell Electron Synchrotron, construit à faible coût à la fin des années 1970, a été le premier dune série daccélérateurs délectrons circulaires à haute énergie conçus pour la physique fondamentale des particules, le dernier étant le LEP, construit au CERN, qui a été utilisé de 1989 à 2000.
Un grand nombre de synchrotrons à électrons ont été construits au cours des deux dernières décennies, dans le cadre de sources de lumière synchrotron qui émettent de la lumière ultraviolette et des rayons X; voir ci-dessous.
Anneaux de stockageModifier
Pour certaines applications, il est utile de stocker des faisceaux de particules de haute énergie pendant un certain temps (avec technologie moderne du vide poussé, jusquà plusieurs heures) sans autre accélération. Cela est particulièrement vrai pour les accélérateurs de faisceaux en collision, dans lesquels deux faisceaux se déplaçant dans des directions opposées sont amenés à entrer en collision lun avec lautre, avec un gain important dénergie de collision effective. Étant donné que relativement peu de collisions se produisent à chaque passage à travers le point dintersection des deux faisceaux, il est habituel daccélérer dabord les faisceaux à lénergie souhaitée, puis de les stocker dans des anneaux de stockage, qui sont essentiellement des anneaux synchrotron daimants, sans RF significative. puissance pour laccélération.
Sources de rayonnement synchrotronEdit
Certains accélérateurs circulaires ont été construits pour générer délibérément un rayonnement (appelé lumière synchrotron) comme Les rayons X sont également appelés rayonnement synchrotron, par exemple la source de lumière diamant qui a été construite au laboratoire Rutherford Appleton en Angleterre ou la source avancée de photons au laboratoire national dArgonne dans lIllinois, aux États-Unis. Les rayons X à haute énergie sont utiles pour la spectroscopie X des protéines ou la structure fine dabsorption des rayons X (XAFS), par exemple.
Le rayonnement synchrotron est plus puissamment émis par des particules plus légères, donc ces accélérateurs sont invariablement des accélérateurs délectrons. Le rayonnement synchrotron permet une meilleure imagerie telle que recherchée et développée au SLAC « s SPEAR.
Accélérateurs à gradient alterné à champ fixeModifier
Les accélérateurs à gradient alterné à champ fixe (FFA), dans lesquels un champ magnétique fixe dans le temps, mais avec une variation radiale pour obtenir une forte focalisation, permet daccélérer le faisceau avec un taux de répétition élevé mais de manière beaucoup plus petite diffusion radiale que dans le cas du cyclotron. Les FFA isochrones, comme les cyclotrons isochrones, permettent un fonctionnement en faisceau continu, mais sans avoir besoin dun énorme aimant de courbure dipolaire couvrant tout le rayon des orbites. Quelques nouveaux développements dans les FFA sont traités dans.
HistoryEdit
Le premier cyclotron dErnest Lawrence mesurait à peine 4 pouces (100 mm) de diamètre. Plus tard, en 1939, il construisit une machine avec une face polaire de 60 pouces de diamètre, et en planifia une de 184 pouces de diamètre en 1942, qui fut cependant reprise pour des travaux liés à la Seconde Guerre mondiale liés à la séparation des isotopes de luranium; après la guerre, il est resté en service pour la recherche et la médecine pendant de nombreuses années.
Le premier grand synchrotron à protons fut le Cosmotron du Brookhaven National Laboratory, qui accéléra les protons à environ 3 GeV (1953–1968). Le Bevatron de Berkeley, achevé en 1954, a été spécialement 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–) était le premier grand synchrotron à gradient alterné, aimants à «forte focalisation», ce qui réduisait considérablement louverture requise du faisceau et, en conséquence, la taille et le coût des aimants de courbure. Le synchrotron à protons, construit au CERN (1959–), a été le premier grand accélérateur de particules européen et est généralement similaire à lAGS.
Laccélérateur linéaire de Stanford, SLAC, est devenu opérationnel en 1966, accélérant des électrons à 30 GeV dans un guide dondes de 3 km de long, enterré dans un tunnel et alimenté par des centaines de grands klystrons. Il sagit toujours du plus grand accélérateur linéaire existant et a été amélioré avec lajout danneaux de stockage et dune installation de collisionneur électron-positon. Cest aussi une source de photons synchrotron à rayons X et UV.
Le Fermilab Tevatron a un anneau avec un trajet de faisceau de 6,4 km. Il a fait lobjet de plusieurs mises à niveau et a fonctionné comme un collisionneur proton-antiproton jusquà son arrêt en raison de réductions budgétaires le 30 septembre 2011. Le plus grand accélérateur circulaire jamais construit était le synchrotron LEP au CERN avec une circonférence de 26,6 kilomètres, qui était un collisionneur électron / positron. Il a atteint une énergie de 209 GeV avant dêtre 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 actuellement le plus grand et le plus puissant accélérateur du monde, atteignant une énergie de 6,5 TeV par faisceau (13 TeV au total).
Le super collisionneur supraconducteur (SSC) avorté au Texas aurait eu une circonférence de 87 km. La construction a commencé en 1991, mais abandonnée en 1993. De très grands accélérateurs circulaires sont invariablement construits dans des tunnels de quelques mètres de large pour minimiser les perturbations et les coûts de construction dune telle structure en surface, et fournissent une protection contre les radiations secondaires intenses qui se produisent, qui sont extrêmement pénétrantes à haute énergie.