Instrument communiquant de l’énergie soit à des particules* élémentaires, soit à des atomes ; c’est-à-dire des assemblages de telles particules, plus ou moins ionisés (v. ions).

L’accélérateur proprement dit comporte à l’entrée une source de particules d’une nature donnée et fournit à la sortie des particules ayant gagné de l’énergie, mais n’ayant pas changé de nature (à la charge électrique près éventuellement) : ce sont les particules groupées le plus souvent en faisceaux primaires. L’impact des faisceaux de particules primaires fournis par l’accélérateur sur des cibles convenables peut alors fournir des faisceaux secondaires de particules de natures différentes. Ainsi on qualifiera un accélérateur par la ou les particules qu’il est capable d’accélérer : il y a des accélérateurs d’électrons*, des accélérateurs de protons*, des accélérateurs d’ions lourds, car, à un instant donné, l’instrument agit sur des particules d’une nature bien définie, même si cet instrument est capable, suivant ce qu’on lui injecte, d’accélérer des électrons, ou des protons, ou des noyaux d’hélium, de lithium, d’oxygène et même d’uranium.

Un caractère commun à tous les accélérateurs actuels est que les particules accélérées sont chargées, c’est-à-dire que les forces mises en jeu pour produire l’accélération sont des forces électromagnétiques. Cela ne préjuge pas du fait que ces particules pourraient éventuellement être neutralisées ou changées de charge à la sortie de la phase d’accélération. Ainsi, par exemple, il n’existe pas d’accélérateur de neutrons, ni d’accélérateur de photons ; on a pu, en revanche, produire l’accélération indirecte d’un faisceau de photons en faisant diffuser un faisceau laser par un faisceau d’électrons de grande énergie.

La nature des particules n’est pas absolument limitée aux particules élémentaires, aux noyaux d’atomes ou aux ions pris isolément. Un groupe de particules, un paquet de plasma (mélange d’ions et d’électrons), par exemple, peut être accéléré comme une entité distincte.

Les accélérateurs de particules sont des instruments spécialement précieux pour l’expérimentation en physique nucléaire et, à plus haute énergie, en physique des particules élémentaires : le bombardement d’une cible par les projectiles sortant de l’accélérateur y provoque des réactions qui permettent d’étudier la structure de la matière à une échelle des distances correspondant à la longueur d’onde du projectile, laquelle varie en raison à peu près inverse de son énergie. Les accélérateurs ont, après 1930, rapidement supplanté les sources intenses de radio-éléments pour fournir les projectiles permettant l’étude de la matière nucléaire : ils leur étaient supérieurs par l’intensité produite, par l’énergie atteinte et par la variété des particules accélérables.

Les accélérateurs servent aussi, par l’intermédiaire des réactions nucléaires, à la production de radio-éléments artificiels utilisés en chimie, en biologie et en médecine, ainsi que pour des applications industrielles. D’ailleurs, les accélérateurs ont eux-mêmes des utilisations industrielles (radiographie de matériaux, irradiations d’aliments, production de matériaux polymérisés, etc.) ou médicales. Les développements technologiques mis en œuvre dans les accélérateurs les plus perfectionnés sont souvent des conséquences de progrès techniques accomplis dans d’autres domaines : ainsi le développement des techniques d’hyperfréquences après la mise au point du radar ; en revanche, les recherches accomplies pour perfectionner les accélérateurs ont eu maintes « retombées » intéressantes sur un plan plus général.

Principes d’accélération

Le but à atteindre est d’augmenter l’énergie de la particule. C’est une notion plus générale que l’accroissement de sa vitesse. Si, en effet, les vitesses et les énergies croissent simultanément tant que la particule est dans un domaine de vitesse très faible devant la vitesse de la lumière (c = 300 000 km/s), il n’en est plus de même pour les énergies suffisamment élevées, car il faut alors appliquer la théorie de la relativité* : une particule de masse au repos m₀, de vitesse v, présente une quantité de mouvement p, une masse totale m et une énergie totale E données par les formules

avec

en posant

Pour β très voisin de 1, l’accélération s’effectue à vitesse quasi constante, puisque la particule a une vitesse presque égale à c, mais elle se traduit par un gain d’énergie. On a alors c’est-à-dire et, en première approximation, la quantité de mouvement s’exprime par