Un accélérateur de particules est un dispositif qui crée un faisceau de particules atomiques ou subatomiques chargées électriquement se déplaçant à des vitesses proches de la lumière. Son travail est basé sur une augmentation de leur énergie par un champ électrique et un changement de trajectoire - par un champ magnétique.
À quoi servent les accélérateurs de particules ?
Ces appareils sont largement utilisés dans divers domaines scientifiques et industriels. Aujourd'hui, il y en a plus de 30 000 dans le monde. Pour un physicien, les accélérateurs de particules servent d'outil de recherche fondamentale sur la structure des atomes, la nature des forces nucléaires et les propriétés des noyaux qui n'existent pas dans la nature. Ces derniers comprennent le transuranium et d'autres éléments instables.
Avec l'aide d'un tube à décharge, il est devenu possible de déterminer la charge spécifique. Les accélérateurs de particules sont également utilisés dans la production de radio-isotopes, en radiographie industrielle, en radiothérapie, dans la stérilisation de matériel biologique et dans le radiocarbone.une analyse. Les plus grandes installations sont utilisées dans l'étude des interactions fondamentales.
La durée de vie des particules chargées au repos par rapport à l'accélérateur est inférieure à celle des particules accélérées à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Ceci confirme la relativité des intervalles de temps SRT. Par exemple, au CERN, la durée de vie des muons à une vitesse de 0,9994c a été multipliée par 29.
Cet article explique le fonctionnement d'un accélérateur de particules, son développement, ses différents types et ses caractéristiques distinctives.
Principes d'accélération
Indépendamment des accélérateurs de particules que vous connaissez, ils ont tous des éléments communs. Premièrement, ils doivent tous disposer d'une source d'électrons dans le cas d'un kinéscope de télévision, ou d'électrons, de protons et de leurs antiparticules dans le cas d'installations plus importantes. De plus, ils doivent tous disposer de champs électriques pour accélérer les particules et de champs magnétiques pour contrôler leur trajectoire. De plus, le vide dans l'accélérateur de particules (10-11 mm Hg), c'est-à-dire le minimum d'air résiduel, est nécessaire pour assurer une longue durée de vie des faisceaux. Et, enfin, toutes les installations doivent avoir les moyens d'enregistrer, de compter et de mesurer les particules accélérées.
Génération
Les électrons et les protons, qui sont le plus souvent utilisés dans les accélérateurs, se trouvent dans tous les matériaux, mais il faut d'abord les en isoler. Les électrons sont généralement généréstout comme dans un kinéscope - dans un appareil appelé "pistolet". C'est une cathode (électrode négative) dans le vide, qui est chauffée au point où les électrons commencent à se détacher des atomes. Les particules chargées négativement sont attirées vers l'anode (électrode positive) et traversent la sortie. Le canon lui-même est aussi l'accélérateur le plus simple, puisque les électrons se déplacent sous l'influence d'un champ électrique. La tension entre la cathode et l'anode est généralement comprise entre 50 et 150 kV.
En plus des électrons, tous les matériaux contiennent des protons, mais seuls les noyaux des atomes d'hydrogène sont constitués de protons uniques. Par conséquent, la source de particules pour les accélérateurs de protons est l'hydrogène gazeux. Dans ce cas, le gaz est ionisé et les protons s'échappent par le trou. Dans les grands accélérateurs, les protons sont souvent produits sous forme d'ions hydrogène négatifs. Ce sont des atomes avec un électron supplémentaire, qui sont le produit de l'ionisation d'un gaz diatomique. Il est plus facile de travailler avec des ions hydrogène chargés négativement dans les premières étapes. Ensuite, ils sont passés à travers une feuille mince qui les prive d'électrons avant la phase finale d'accélération.
Accélération
Comment fonctionnent les accélérateurs de particules ? La principale caractéristique de chacun d'entre eux est le champ électrique. L'exemple le plus simple est un champ statique uniforme entre potentiels électriques positifs et négatifs, semblable à celui qui existe entre les bornes d'une batterie électrique. Dans un telchamp, un électron portant une charge négative est soumis à une force qui le dirige vers un potentiel positif. Elle l'accélère, et si rien ne l'en empêche, sa vitesse et son énergie augmentent. Les électrons se déplaçant vers un potentiel positif dans un fil ou même dans l'air entrent en collision avec des atomes et perdent de l'énergie, mais s'ils sont dans le vide, ils accélèrent à l'approche de l'anode.
La tension entre la position initiale et la position finale d'un électron détermine l'énergie qu'il acquiert. En se déplaçant à travers une différence de potentiel de 1 V, elle est égale à 1 électron volt (eV). Cela équivaut à 1,6 × 10-19 joules. L'énergie d'un moustique volant est mille milliards de fois supérieure. Dans un kinéscope, les électrons sont accélérés par une tension supérieure à 10 kV. De nombreux accélérateurs atteignent des énergies beaucoup plus élevées, mesurées en méga-, giga- et téraélectronvolts.
Variétés
Certains des premiers types d'accélérateurs de particules, tels que le multiplicateur de tension et le générateur Van de Graaff, utilisaient des champs électriques constants générés par des potentiels pouvant atteindre un million de volts. Il n'est pas facile de travailler avec des tensions aussi élevées. Une alternative plus pratique est l'action répétitive de champs électriques faibles générés par des potentiels faibles. Ce principe est utilisé dans deux types d'accélérateurs modernes - linéaires et cycliques (principalement dans les cyclotrons et les synchrotrons). Les accélérateurs de particules linéaires, en bref, les font passer une fois par une séquencechamps accélérateurs, tandis que dans le champ cyclique, ils se déplacent à plusieurs reprises le long d'une trajectoire circulaire à travers des champs électriques relativement petits. Dans les deux cas, l'énergie finale des particules dépend de l'effet combiné des champs, de sorte que de nombreux petits "chocs" s'additionnent pour donner l'effet combiné d'un seul gros.
La structure répétitive d'un accélérateur linéaire pour créer des champs électriques implique naturellement l'utilisation de tension alternative plutôt que continue. Les particules chargées positivement sont accélérées vers le potentiel négatif et reçoivent une nouvelle impulsion si elles passent par le potentiel positif. En pratique, la tension devrait changer très rapidement. Par exemple, à une énergie de 1 MeV, un proton se déplace à des vitesses très élevées de 0,46 la vitesse de la lumière, parcourant 1,4 m en 0,01 ms. Cela signifie que dans un motif répétitif de plusieurs mètres de long, les champs électriques doivent changer de direction à une fréquence d'au moins 100 MHz. Les accélérateurs linéaires et cycliques de particules chargées, en règle générale, les accélèrent à l'aide de champs électriques alternatifs d'une fréquence de 100 à 3000 MHz, c'est-à-dire allant des ondes radio aux micro-ondes.
Une onde électromagnétique est une combinaison de champs électriques et magnétiques alternatifs qui oscillent perpendiculairement l'un à l'autre. Le point clé de l'accélérateur est d'ajuster l'onde pour qu'à l'arrivée de la particule, le champ électrique soit dirigé en fonction du vecteur accélération. Cela peut être fait avec une onde stationnaire - une combinaison d'ondes se déplaçant dans des directions opposées dans une boucle fermée.l'espace, comme des ondes sonores dans un tuyau d'orgue. Une alternative pour les électrons se déplaçant très rapidement approchant la vitesse de la lumière est une onde progressive.
Autophasing
Un effet important lors de l'accélération dans un champ électrique alternatif est "l'autophasage". Dans un cycle d'oscillation, le champ alternatif passe de zéro à zéro en passant par une valeur maximale, tombe à un minimum et monte à zéro. Il passe donc par la valeur nécessaire pour accélérer deux fois. Si la particule en accélération arrive trop tôt, elle ne sera pas affectée par un champ de force suffisante et la poussée sera faible. Lorsqu'elle atteindra la section suivante, elle sera en retard et subira un impact plus fort. En conséquence, un autophasage se produira, les particules seront en phase avec le champ dans chaque région d'accélération. Un autre effet serait de les regrouper au fil du temps en touffes plutôt qu'en un flux continu.
Direction du faisceau
Les champs magnétiques jouent également un rôle important dans le fonctionnement d'un accélérateur de particules chargées, car ils peuvent modifier la direction de leur mouvement. Cela signifie qu'ils peuvent être utilisés pour "courber" les faisceaux le long d'une trajectoire circulaire afin qu'ils traversent plusieurs fois la même section d'accélération. Dans le cas le plus simple, une particule chargée se déplaçant perpendiculairement à la direction d'un champ magnétique uniforme est soumise à une forceperpendiculaire à la fois au vecteur de son déplacement et au champ. Cela amène le faisceau à se déplacer le long d'une trajectoire circulaire perpendiculaire au champ jusqu'à ce qu'il quitte sa zone d'action ou qu'une autre force commence à agir sur lui. Cet effet est utilisé dans les accélérateurs cycliques tels que le cyclotron et le synchrotron. Dans un cyclotron, un champ constant est généré par un gros aimant. Les particules, au fur et à mesure que leur énergie augmente, s'envolent vers l'extérieur, accélérant à chaque révolution. Dans un synchrotron, les paquets se déplacent autour d'un anneau de rayon constant, et le champ créé par les électroaimants autour de l'anneau augmente à mesure que les particules accélèrent. Les aimants "de courbure" sont des dipôles dont les pôles nord et sud sont pliés en forme de fer à cheval afin que le faisceau puisse passer entre eux.
La deuxième fonction importante des électroaimants est de concentrer les faisceaux afin qu'ils soient aussi étroits et intenses que possible. La forme la plus simple d'un aimant de focalisation est à quatre pôles (deux nord et deux sud) opposés. Ils poussent les particules vers le centre dans une direction, mais leur permettent de se propager dans la direction perpendiculaire. Les aimants quadripolaires focalisent le faisceau horizontalement, lui permettant de se flouter verticalement. Pour ce faire, ils doivent être utilisés par paires. Des aimants plus complexes avec plus de pôles (6 et 8) sont également utilisés pour une mise au point plus précise.
Lorsque l'énergie des particules augmente, la force du champ magnétique qui les guide augmente. Cela maintient le faisceau sur le même chemin. Le caillot est introduit dans l'anneau et accéléré pourl'énergie requise avant de pouvoir être retirée et utilisée dans des expériences. La rétraction est réalisée par des électro-aimants qui s'allument pour pousser les particules hors de l'anneau synchrotron.
Collision
Les accélérateurs de particules utilisés en médecine et dans l'industrie produisent principalement un faisceau dans un but précis, comme la radiothérapie ou l'implantation d'ions. Cela signifie que les particules sont utilisées une seule fois. Pendant de nombreuses années, il en a été de même pour les accélérateurs utilisés en recherche fondamentale. Mais dans les années 1970, des anneaux ont été développés dans lesquels les deux faisceaux circulent dans des sens opposés et se heurtent sur tout le circuit. Le principal avantage de telles installations est que lors d'une collision frontale, l'énergie des particules passe directement dans l'énergie d'interaction entre elles. Cela contraste avec ce qui se passe lorsque le faisceau entre en collision avec un matériau au repos: dans ce cas, la majeure partie de l'énergie est dépensée pour mettre le matériau cible en mouvement, conformément au principe de conservation de la quantité de mouvement.
Certaines machines à faisceaux en collision sont construites avec deux anneaux qui se croisent à deux endroits ou plus, dans lesquels des particules du même type circulent dans des directions opposées. Les collisions avec des particules et des antiparticules sont plus fréquentes. Une antiparticule a la charge opposée de sa particule associée. Par exemple, un positron est chargé positivement, tandis qu'un électron est chargé négativement. Cela signifie que le champ qui accélère l'électron ralentit le positon,évoluant dans le même sens. Mais si ce dernier se déplace en sens inverse, il va accélérer. De même, un électron se déplaçant dans un champ magnétique se courbera vers la gauche et un positron se courbera vers la droite. Mais si le positron se dirige vers lui, alors sa trajectoire déviera toujours vers la droite, mais le long de la même courbe que l'électron. Ensemble, cela signifie que ces particules peuvent se déplacer le long de l'anneau du synchrotron grâce aux mêmes aimants et être accélérées par les mêmes champs électriques dans des directions opposées. Bon nombre des collisionneurs les plus puissants sur des faisceaux en collision ont été créés selon ce principe, puisqu'un seul anneau accélérateur est nécessaire.
Le faisceau dans le synchrotron ne se déplace pas continuellement, mais est combiné en "amas". Ils peuvent mesurer plusieurs centimètres de long et un dixième de millimètre de diamètre, et contenir environ 1012 particules. Il s'agit d'une faible densité, car une substance de cette taille contient environ 1023 atomes. Par conséquent, lorsque des faisceaux se croisent avec des faisceaux venant en sens inverse, il n'y a qu'une faible chance que les particules interagissent les unes avec les autres. En pratique, les grappes continuent de se déplacer le long de l'anneau et se rejoignent. Le vide poussé dans l'accélérateur de particules (10-11 mmHg) est nécessaire pour que les particules puissent circuler pendant de nombreuses heures sans entrer en collision avec les molécules d'air. Par conséquent, les anneaux sont également appelés cumulatifs, car les paquets y sont en fait stockés pendant plusieurs heures.
S'inscrire
Les accélérateurs de particules peuvent pour la plupart enregistrer ce qui se passe lorsquelorsque des particules frappent une cible ou un autre faisceau se déplaçant dans la direction opposée. Dans un kinéscope de télévision, les électrons d'un pistolet frappent un luminophore sur la surface intérieure de l'écran et émettent de la lumière, qui recrée ainsi l'image transmise. Dans les accélérateurs, ces détecteurs spécialisés réagissent aux particules diffusées, mais ils sont généralement conçus pour générer des signaux électriques qui peuvent être convertis en données informatiques et analysés à l'aide de programmes informatiques. Seuls les éléments chargés créent des signaux électriques en traversant un matériau, par exemple en excitant ou en ionisant des atomes, et peuvent être détectés directement. Les particules neutres telles que les neutrons ou les photons peuvent être détectées indirectement grâce au comportement des particules chargées qu'elles mettent en mouvement.
Il existe de nombreux détecteurs spécialisés. Certains d'entre eux, comme le compteur Geiger, comptent simplement les particules, tandis que d'autres sont utilisés, par exemple, pour enregistrer des traces, mesurer la vitesse ou mesurer la quantité d'énergie. Les détecteurs modernes varient en taille et en technologie, des petits appareils à couplage de charge aux grandes chambres remplies de gaz qui détectent les traînées ionisées créées par les particules chargées.
Histoire
Les accélérateurs de particules ont été principalement développés pour étudier les propriétés des noyaux atomiques et des particules élémentaires. Depuis la découverte de la réaction entre le noyau d'azote et la particule alpha par le physicien britannique Ernest Rutherford en 1919, toutes les recherches en physique nucléaire jusqu'àL'année 1932 a été consacrée aux noyaux d'hélium libérés par la désintégration d'éléments radioactifs naturels. Les particules alpha naturelles ont une énergie cinétique de 8 MeV, mais Rutherford pensait que pour observer la désintégration des noyaux lourds, il fallait les accélérer artificiellement à des valeurs encore plus élevées. A l'époque ça parait difficile. Cependant, un calcul effectué en 1928 par Georgy Gamow (à l'Université de Göttingen, Allemagne) a montré que des ions avec des énergies beaucoup plus faibles pouvaient être utilisés, ce qui a stimulé les tentatives de construction d'une installation fournissant un faisceau suffisant pour la recherche nucléaire.
D'autres événements de cette période ont démontré les principes selon lesquels les accélérateurs de particules sont construits à ce jour. Les premières expériences réussies avec des ions artificiellement accélérés ont été réalisées par Cockcroft et W alton en 1932 à l'Université de Cambridge. À l'aide d'un multiplicateur de tension, ils ont accéléré des protons à 710 keV et montré que ces derniers réagissent avec le noyau de lithium pour former deux particules alpha. En 1931, à l'Université de Princeton dans le New Jersey, Robert van de Graaff avait construit le premier générateur électrostatique à courroie à haut potentiel. Les multiplicateurs de tension Cockcroft-W alton et les générateurs Van de Graaff sont toujours utilisés comme sources d'alimentation pour les accélérateurs.
Le principe d'un accélérateur à résonance linéaire a été démontré par Rolf Wideröe en 1928. À l'Université de technologie de Rhénanie-Westphalie à Aix-la-Chapelle, en Allemagne, il a utilisé une tension alternative élevée pour accélérer deux fois les ions sodium et potassium à des énergiesdépassant ceux qu'ils ont signalés. En 1931, aux États-Unis, Ernest Lawrence et son assistant David Sloan de l'Université de Californie à Berkeley ont utilisé des champs à haute fréquence pour accélérer les ions mercure à des énergies supérieures à 1,2 MeV. Ce travail a complété l'accélérateur de particules lourdes Wideröe, mais les faisceaux d'ions n'étaient pas utiles dans la recherche nucléaire.
L'accélérateur à résonance magnétique, ou cyclotron, a été conçu par Lawrence comme une modification de l'installation de Wideröe. L'élève de Lawrence Livingston a démontré le principe du cyclotron en 1931 en produisant des ions de 80 keV. En 1932, Lawrence et Livingston annoncèrent l'accélération des protons à plus de 1 MeV. Plus tard dans les années 1930, l'énergie des cyclotrons a atteint environ 25 MeV, et celle des générateurs Van de Graaff a atteint environ 4 MeV. En 1940, Donald Kerst, appliquant les résultats de calculs orbitaux minutieux à la conception d'aimants, construisit le premier bêtatron, un accélérateur d'électrons à induction magnétique, à l'Université de l'Illinois.
Physique moderne: accélérateurs de particules
Après la Seconde Guerre mondiale, la science de l'accélération des particules à des énergies élevées a fait des progrès rapides. Il a été lancé par Edwin Macmillan à Berkeley et Vladimir Veksler à Moscou. En 1945, tous deux ont décrit indépendamment le principe de la stabilité de phase. Ce concept offre un moyen de maintenir des orbites de particules stables dans un accélérateur cyclique, ce qui a supprimé la limitation de l'énergie des protons et a permis de créer des accélérateurs à résonance magnétique (syncrotrons) pour les électrons. L'autophasage, la mise en œuvre du principe de stabilité de phase, a été confirmé après la constructionun petit synchrocyclotron à l'Université de Californie et un synchrotron en Angleterre. Peu de temps après, le premier accélérateur à résonance linéaire de protons a été créé. Ce principe a été utilisé dans tous les grands synchrotrons à protons construits depuis.
En 1947, William Hansen, de l'Université de Stanford en Californie, a construit le premier accélérateur linéaire d'électrons à ondes progressives utilisant la technologie des micro-ondes qui a été développée pour le radar pendant la Seconde Guerre mondiale.
Les progrès de la recherche ont été rendus possibles par l'augmentation de l'énergie des protons, ce qui a conduit à la construction d'accélérateurs toujours plus grands. Cette tendance a été stoppée par le coût élevé de la fabrication d'énormes aimants annulaires. Le plus gros pèse environ 40 000 tonnes. Des moyens d'augmenter l'énergie sans augmenter la taille des machines ont été démontrés en 1952 par Livingston, Courant et Snyder dans la technique de focalisation alternée (parfois appelée focalisation forte). Les synchrotrons basés sur ce principe utilisent des aimants 100 fois plus petits qu'auparavant. Une telle focalisation est utilisée dans tous les synchrotrons modernes.
En 1956, Kerst s'est rendu compte que si deux ensembles de particules étaient maintenus sur des orbites sécantes, on pouvait les voir entrer en collision. L'application de cette idée a nécessité l'accumulation de faisceaux accélérés dans des cycles appelés stockage. Cette technologie a permis d'atteindre l'énergie d'interaction maximale des particules.
