Grande Encyclopédie Larousse 1971-1976Éd. 1971-1976
A

accélérateur de particules (suite)

L’essor très rapide, dès 1946, des accélérateurs linéaires à électrons résulte des travaux accomplis dans plusieurs laboratoires, en premier par W. W. Hansen à Stanford et J. C. Slater au M. I. T. (Cambridge), aux États-Unis, et par D. W. Fry en Grande-Bretagne. Il a été facilité par le fait que les électrons ont très tôt une vitesse quasi constante, car, dès 2 MeV, un électron a 98 p. 100 de la vitesse de la lumière. Ainsi, les espacements à prévoir sont constants et petits. On peut utiliser des empilements de cavités résonnant dans les bandes classiques du radar « S » (3 000 MHz) et « L » (1 400 MHz), et faire se propager les électrons suivant l’axe de ces empilements, constituant un véritable « guide d’ondes » où le champ électrique est apporté par les ondes électromagnétiques se propageant progressivement. Les électrons font tout leur trajet « à la crête de l’onde », en synchronisme avec les maximums du champ électrique. Il n’y a pas de limitations autres que technologiques et économiques à l’énergie accessible, car l’énergie croît avec la longueur de l’accélérateur. De plus, l’intensité accélérée dans les impulsions de faisceau, à la crête de l’onde, est très grande ; malheureusement, elle n’est pas distribuée continûment dans le temps, ce qui est parfois gênant et a conduit à essayer d’allonger les impulsions et à les multiplier, au prix d’une lourdeur croissante de l’appareillage.

Les deux appareils extrêmes en fonctionnement sont ainsi :
— l’accélérateur linéaire « monstre » de 3 km de long de Stanford (États-Unis), qui a le record de l’accélération des électrons à grande énergie, atteignant 20 GeV d’énergie et 60 mA de courant crête (impulsions de durée 1,6 μs ; taux de répétition, 360 par seconde), et de la production de positrons accélérés aux environs de 10 GeV à partir d’une cible bombardée par des électrons de 6 GeV ;
— l’accélérateur linéaire à grande intensité de Saclay (France), qui peut accélérer un courant moyen de plus de 500 μA d’électrons, aux environs de 500 MeV, distribué dans des impulsions de 10 μs répétées 1 000 à 2 000 fois par seconde.

Par ailleurs, certaines utilisations (notamment comme sources de neutrons*) ont, au contraire, conduit à mettre au point des accélérateurs linéaires fournissant des intensités crêtes très élevées dans des impulsions très brèves, tel l’accélérateur d’Oak Ridge (États-Unis), prévu pour accélérer vers 150 MeV des courants instantanés d’électrons de plus de 15 A dans des impulsions pouvant être raccourcies jusqu’aux environs de 2 ns.

Citons aussi un type particulier d’accélérateur linéaire de très haute intensité, où c’est l’induction magnétique qui crée le champ électrique. Ainsi, au lieu de cavités où règne un champ HF, on trouve des anneaux de matériaux magnétiques où une impulsion électrique dans une bobine toroïdale provoque une variation de flux magnétique induisant un champ électrique axial. L’accélérateur linéaire « Astron » installé à Livermore (Californie) fonctionne suivant ce principe et fournit, dans ses performances les plus récentes, 800 ampères d’électrons de 4,2 MeV dans des impulsions de 0,3 microseconde de durée.


L’accélération synchrone

Les performances du cyclotron étaient considérées comme doublement limitées vers les énergies élevées. Pour les ions relativement lourds, les variations de masse dues aux effets relativistes restent négligeables ; l’énergie obtenue par nucléon est en général assez faible, mais elle croît comme le carré de la charge électrique des ions accélérés. Un progrès notable résulte donc de l’injection d’ions multichargés en dépassant les performances des meilleures sources d’ions ; d’où le succès actuel des combinaisons de deux accélérateurs (cyclotrons et accélérateur linéaire ou accélérateur électrostatique), « l’épluchage » de l’ion préaccéléré étant effectué, par exemple, à la traversée d’une feuille mince.

Mais c’est surtout le cas des protons et des ions légers qui, du fait de la correction relativiste de masse, donc de l’allongement du temps de parcours d’une orbite, demande une généralisation de la méthode de résonance pour atteindre les énergies les plus hautes. En effet, d’après les équations [1] et [2], on voit qu’à l’augmentation de la vitesse v (donc du coefficient x) est lié un accroissement de la masse m entraînant une diminution de la « fréquence cyclotron » f de la particule accélérée : celle-ci ne sera donc plus en résonance avec le champ accélérateur HF, dont la fréquence est fixe.

Pour rétablir la condition de résonance, V. Veksler et E. M. McMillan ont, en 1945, simultanément proposé les deux types de solutions :
— maintenir constant le champ magnétique en diminuant progressivement la fréquence du champ accélérateur (principe du synchrocyclotron) ;
— maintenir constante la fréquence du champ accélérateur en augmentant progressivement le champ magnétique (principe du synchrotron).

Mais ces solutions n’étaient viables que si les particules accélérées demeuraient sur des orbites stables au cours des variations de fréquence et de champ, de façon que la résonance soit sauvegardée. Or, les auteurs démontrèrent la propriété de « stabilité de phase » de certaines orbites. Soit par exemple une particule se présentant durant une alternance décroissante du champ HF accélérateur ; si elle est déphasée en avance, elle sera accélérée davantage, ce qui diminuera sa vitesse angulaire, donc allongera le temps de parcours de son orbite et la fera arriver « en retard » au prochain tour, la ramenant ainsi vers la phase d’équilibre. La lente variation de la fréquence s’accompagnera alors d’une variation de l’énergie d’équilibre, selon un comportement analogue à celui d’un moteur synchrone ; d’où le nom d’accélération synchrone. Des raisonnements analogues sont valables pour l’accélération avec variation de champ magnétique.

Les espaces accélérateurs sont en général répartis en divers points de l’orbite. Il peut y en avoir, au contraire, un seul : c’est le cas du microtron, où les trajectoires sont une famille de cercles tangents au point où est situé l’espace accélérateur.