E max constante E moy
3. L’intensité électrique
3.2.3. Différents types d’accélérateurs
3.2.3.1. Composantes d’un accélérateur
Schématiquement, un accélérateur comprend essentiellement trois éléments : une source d’ions ou d’électrons, un dispositif d’accélération et un espace d’expérimentation où est placée la cible à irradier. Les projectiles sortent de la source avec une vitesse et une énergie faibles puis ils émergent de l’espace d’accélération avec l’énergie incidente souhaitée pour interagir avec la cible. L’espace d’accélération peut être à simple différence de potentiel électrique (comme dans un tube à rayons X), ou à induction magnétique avec accélérations multiples.
3.2.3.2. Sources de particules à accélérer
Les sources sont caractérisées, entre autres paramètres, par la nature des particules à accé-lérer (électrons, noyaux légers ou lourds, ions atomiques ou moléculaires) et leurs charges (positive ou négative, simple ou multiple). Techniquement, les électrons sont produits par simple effet thermo-électronique alors que les ions, espèces chargées plus lourdes, sont produits dans des tubes à décharge électrique.
Source d’électrons
La figure 3.19 présente le schéma d’une source d’électrons : des électrons libres sont émis par un métal placé dans une enceinte à vide poussé et porté à température élevée. Une tension continue est maintenue entre l’anode et un fil métallique constituant la cathode.
Cette dernière portée à incandescence émet des électrons qui sont recueillis par l’anode.
À température constante, l’intensité du courant thermo-ionique augmente avec la tension mais atteint rapidement sa saturation.
Chauffage
Anode
Cathode
Tension d’extraction Tension de commande
-+
-+ Chauffage
Anode
Cathode
Tension d’extraction Tension de commande
-+
-+
Figure 3.19. Schéma d’une source d’électrons.
Source d’ions
Les sources d’ions ont des structures plus complexes que les sources d’électrons. Leur mode de fonctionnement dépend de la conception de l’accélérateur, on en distingue plu-sieurs types :
– source à ionisation primaire ; – source à arc lumineux ; – source à plasma ; – source à cathode froide ; – source à haute fréquence.
En guise d’illustration, la figure 3.20 représente le schéma de fonctionnement d’une source d’ions par ionisation primaire. À l’origine se trouve toujours, comme pour une source d’électrons, une cathode chauffée produisant des électrons par effet thermo-ionique. Le passage du faisceau d’électrons au travers d’un gaz provoque des chocs entre les molé-cules de ce gaz à faible pression (de l’ordre de 0,1 Pa). Les ions formés sont repoussés vers la sortie par l’électrode positive d’extraction et ils sont ensuite attirés par l’électrode né-gative post-accélération. Le champ magnétique dont la direction est parallèle au faisceau électronique a pour rôle d’allonger le parcours des électrons dans le tube à décharge en leur imposant des trajectoires hélicoïdales.
Figure 3.20. Schéma d’une source d’ions basée sur le phénomène d’ionisation.
3.2.3.3. Différents principes d’accélération
Les accélérateurs sont classés en deux familles selon le principe mis en jeu : générateur à haute tension ou générateur à impulsions synchronisées. On distingue alors les accéléra-teurs linéaires, où les particules accélérées se déplacent selon une trajectoire rectiligne et les accélérateurs à trajectoires circulaires. Ces derniers sont classés en deux catégories : les cyclotrons, où les particules suivent des trajectoires en spirales jusqu’à atteindre la vi-tesse souhaitée et les synchrotrons, où les particules réalisent une très grande trajectoire circulaire.
Accélérateurs linéaires
Les accélérateurs linéaires (couramment appelés LINAC) sont les plus anciens des accélé-rateurs. Ils sont apparus dès 1928 avec l’accélérateur linéaire de Wideroë aux États-Unis.
En France, au début des années 1960, il a été construit à Orsay un accélérateur linéaire et son anneau de collision dont l’énergie était de l’ordre du GeV. Actuellement, le plus grand accélérateur linéaire au monde est celui de Stanford aux États-Unis (3 km de longueur).
Les accélérateurs sont classés selon l’énergie des particules qu’ils accélèrent.
On trouve plusieurs techniques d’accélération, comme par exemple :
– les accélérateurs électrostatiques(Cockcroft-Walton, Van de Graaff) (Figure 3.22) :
une haute tension statique est appliquée entre deux électrodes produisant ainsi un champ électrique, l’énergie cinétique acquise par les particules est égale, en élec-tronvolts, à la différence de potentiel ;
– les accélérateurs de type Wideroë : le faisceau en passant dans une suite de
ca-vités ou règne un champ électrique alternatif va pouvoir atteindre une énergie de quelques centaines de MeV. La figure 3.21 représente le principe élémentaire d’un tel accélérateur. Des électrodes cylindriques sont reliées alternativement aux pôles du générateur de hautes fréquences. Leur longueur va en croissant de la source d’ions vers la cible ;
Figure 3.21. Schéma d’un accélérateur linéaire de type Wideroë.
Pour en savoir plus
L’accélérateur Cockroft-Walton
La figure 3.22 schématise un accélérateur électrostatique de type Cockcroft-Walton : les particules sont accélérées par la différence de potentielUrégnant dans le tube à vide avant d’entrer en collision avec la cible. L’accélérateur est chargé par l’intermé-diaire d’une chaîne de condensateurs permettant de multiplier la charge finale qui, en première approximation, est directement proportionnelle au nombre de condensa-teurs. Le tube à vide du premier accélérateur mis au point mesure 2,50 m de long pour un potentiel accélérateur de l’ordre de 800 kV.
Figure 3.22. Schéma d’un accélérateur électrostatique de type Cockcroft.
Grâce à ces accélérateurs, plusieurs découvertes furent possibles. Ainsi, on a pu réali-ser la première réaction de transmutation en 1931, où des particules alpha de 17 MeV furent produites à partir d’un faisceau de protons de 0,125 MeV envoyés sur une cible de lithium selon la réaction nucléaire suivante :
p +7Li→4He +4He L’accélérateur de Van de Graaff
Dans ce type d’accélérateur, les charges sont émises par un générateur de courant continu sous une tension de quelques dizaines de kilovolts. Elles sont ensuite captu-rées par une courroie isolée et emportées jusqu’à l’une des électrodes de l’accélérateur.
Pour utiliser une image, dans un accélérateur Van de Graaff, les charges prennent l’es-calier roulant alors que, dans un accélérateur Cockcroft-Walton, elles passent plutôt par l’escalier.
L’accélérateur Van de Graaff a été considérablement amélioré par la technologie
« Tandem » qui présente deux étapes d’accélération. La haute tension est créée par un apport de charges au centre de la machine. Ces charges sont convoyées par une chaîne isolante en rotation continue. C’est donc la partie centrale de la machine qui est portée à une tension positive de plusieurs millions de volts. Les atomes que l’on souhaite accélérer sont tout d’abord transformés en ions négatifs, injectés à l’une des extrémités de la machine et soumis au champ accélérateur créé par la différence de potentiel statique. Arrivés au centre, ils sont « épluchés » d’une partie de leurs électrons
au passage d’une mince couche de gaz ou de carbone. Ils deviennent alors des ions positifs multichargés et sont repoussés dans la deuxième partie de leur trajet.
La figure 3.23 représente l’accélérateur Vivitron qui a fonctionné de 1993 à 2003 à l’Institut de recherches subatomiques de Strasbourg, le tank (de dimensions : longueur L = 50 m et diamètre au centre∅=8,50 m) est rempli de 60 tonnes d’hexafluorure de soufre servant de diélectrique. À la sortie du tube accélérateur, les noyaux subissent la force du champ magnétique de l’aimant d’analyse et changent de direction sans rien perdre de leur énergie avant d’entrer en collision avec la cible. Avec cette machine, on a pu atteindre jusqu’à 22 MV.
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Figure 3.23. Schéma de l’accélérateur Van de Graff Tandem (Vivitron) de Strasbourg.