ACCÉLÉRATEURS DE PARTICULES

Principes généraux

Un accélérateur de particules présente toujours la même succession d'opérations : ionisation d'atomes pour isoler des noyaux ou des électrons ; injection dans des dispositifs magnétiques ou électriques de guidage ; accélération jusqu'à l'énergie désirée. Ensuite, les bouffées de particules chargées sont éjectées soit en vue d'une utilisation externe soit pour accroître encore l'énergie des collisions, et rencontrent un autre faisceau de particules circulant en sens inverse (collisionneurs). Les perfectionnements récents concernent la production de champs magnétiques élevés, les dispositifs accélérateurs, la production et la collecte de différentes sortes d'ions à accélérer.

Dans les électro-aimants classiques, les champs magnétiques guidant les particules ne dépassaient guère 1,5 tesla. Une grande partie de l'énergie électrique y était dissipée par effet Joule. La production d'enroulements supraconducteurs aux performances garanties a permis d'atteindre des champs plus élevés. À énergie égale des particules accélérées, le diamètre des machines circulaires diminue et leur consommation électrique est réduite. Une réalisation importante fut celle du « doubleur d'énergie » du synchrotron du Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory), près de Chicago, transformant progressivement cette machine en collisionneur proton-antiproton de 1 + 1 TeV (le « Tevatron ») à partir de 1983. Le champ magnétique y est de 4,2 teslas. Au L.H.C. du Cern, l'utilisation de fils conducteurs en niobiure de titane (NbTi) donne accès à des champs dépassant 8 teslas.

Les bouffées de particules sont accélérées par des champs électriques à haute fréquence. Ces champs sont produits à l'aide de klystrons (tubes générateurs ou accélérateurs de micro-ondes) dans des cavités accélératrices métalliques optimisant le transfert d'énergie vers les particules. Le défi est d'obtenir des champs accélérateurs plus efficaces grâce à des amplitudes et des fréquences plus élevées. L'emploi de revêtements supraconducteurs de niobium et de procédés de traitement de surface perfectionnés pour éviter les claquages a permis d'obtenir jusqu'à 9 mégavolts par mètre au L.E.P. du Cern. Aujourd'hui, des cavités de niobium pur, fonctionnant à 1,3 gigahertz, mises au point au Desy de Hambourg (Allemagne), communiquent plus de 31,5 mégavolts par mètre, ce qui permet d'envisager la construction de collisionneurs linéaires de haute énergie.

Ces progrès, ajoutés à ceux des techniques du vide, à la maîtrise des faisceaux de particules pour en accroître l'intensité et la concentration, à l'amélioration des dispositifs d'ionisation, bénéficient aux diverses sortes d'accélérateurs.