Synchrotron

Le synchrotron est une amélioration par rapport au cyclotron où les particules voyagent en spirale. Un cyclotron utilise un champ magnétique constant et un champ électrique appliqué à fréquence constante. (L'un d'eux varie dans le synchrocyclotron). Ces deux champs sont modifiés dans le synchrotron pour changer la trajectoire d'une spirale en un cercle. En augmentant soigneusement les champs à mesure que les particules gagnent en énergie, la largeur de la trajectoire circulaire peut être maintenue à un niveau identique à celui de l'accélération des particules par la machine. Ainsi, la chambre à vide pour les particules est un grand et mince tore circulaire (en forme de beignet). Il est plus facile d'utiliser certaines sections droites entre les aimants de cintrage et certaines sections courbées à l'intérieur des aimants, ce qui donne au tore la forme d'un polygone à coins ronds. Un chemin qui se comporte comme un très grand cercle peut être construit en utilisant de simples segments de tube droits et courbés, contrairement à la chambre en forme de disque des dispositifs de type cyclotron. Cette forme nécessite également l'utilisation d'aimants multiples pour courber les faisceaux de particules. Des sections droites sont nécessaires à des intervalles autour d'un anneau pour les deux cavités radiofréquences, et dans les installations de troisième génération, un espace est prévu pour l'insertion de dispositifs d'extraction d'énergie tels que des onduleurs et des onduleurs. La plupart des synchrotrons utilisent deux types d'aimants : des aimants dipolaires pour courber le faisceau de particules et des aimants quadripolaires pour focaliser le faisceau.

L'énergie maximale qu'un accélérateur cyclique peut transmettre est généralement limitée par l'intensité du ou des champs magnétiques et le rayon minimal (courbure maximale) du trajet des particules. Ainsi, au fil du temps, les physiciens ont construit des accélérateurs avec des aimants et des cercles plus grands pour atteindre des niveaux d'énergie de particules plus élevés.

Dans un cyclotron, le rayon maximum est assez limité car les particules commencent au centre et tournent en spirale vers l'extérieur. Ainsi, l'ensemble du trajet doit être une chambre à vide autoportante en forme de disque. Comme le rayon est limité, la puissance de la machine est limitée par l'intensité du champ magnétique. Dans le cas d'un électro-aimant ordinaire, l'intensité du champ est limitée par la saturation du noyau (lorsque tous les domaines magnétiques sont alignés de la même manière, le champ ne peut pas être augmenté davantage dans la pratique). La disposition de la seule paire d'aimants sur toute la largeur de l'appareil limite également la taille économique de l'appareil.

Les synchrotrons surmontent ces limites en utilisant un tube de faisceau étroit qui peut être entouré d'aimants beaucoup plus petits et à focalisation plus serrée. La capacité de ce dispositif à accélérer les particules est limitée par le fait que les particules doivent être chargées pour être accélérées, mais les particules chargées sous accélération émettent des photons (particules de lumière), ce qui leur fait perdre de l'énergie. L'énergie limite du faisceau est atteinte lorsque l'énergie perdue par l'accélération latérale (flexion) nécessaire pour maintenir la trajectoire du faisceau dans un cercle est égale à l'énergie ajoutée à chaque cycle. Des accélérateurs plus puissants sont construits en utilisant des trajets à grand rayon et en utilisant des cavités à micro-ondes plus nombreuses et plus puissantes pour accélérer le faisceau de particules entre les coins. Les particules plus légères (comme les électrons) perdent une plus grande partie de leur énergie lorsqu'elles tournent. En pratique, l'énergie des accélérateurs d'électrons et de positons est limitée par cette perte de rayonnement, alors qu'elle ne joue pas un rôle significatif dans la dynamique des accélérateurs de protons ou d'ions. L'énergie de ces derniers est strictement limitée par la puissance des aimants et par leur coût.

Les particules sont injectées dans l'anneau principal à des énergies substantielles par un accélérateur linéaire (linac) ou par un synchrotron intermédiaire qui est à son tour alimenté par un accélérateur linéaire. Le "linac" est à son tour alimenté par des particules accélérées à une énergie intermédiaire par une simple alimentation électrique à haute tension, généralement un générateur Cockcroft-Walton.

Les particules sont conçues pour quitter le linac à une vitesse déterminée ("vitesse d'injection") pour entrer dans le synchrotron. Les opérateurs calculent l'intensité du champ magnétique nécessaire pour diriger les particules avec la vitesse d'injection sur le trajet du synchrotron. Les opérateurs donnent aux électroaimants suffisamment de courant pour créer la bonne quantité de champ magnétique.

À partir de cette intensité de champ magnétique initiale, le champ magnétique est ensuite augmenté. Les particules passent à travers un accélérateur électrostatique actionné par une tension alternative élevée. Lorsque la vitesse des particules n'est pas proche de la vitesse de la lumière, la fréquence de la tension d'accélération peut être rendue à peu près proportionnelle au courant dans les aimants de flexion. Un contrôle plus fin de la fréquence est effectué par une boucle d'asservissement qui réagit à la détection du passage du groupe de particules en déplacement. Lorsque la vitesse des particules s'approche de la vitesse de la lumière, la fréquence devient presque constante, tandis que le courant dans les aimants de flexion continue d'augmenter. L'énergie maximale qui peut être appliquée aux particules (pour une taille d'anneau et un nombre d'aimants donnés) est déterminée par la saturation des noyaux des aimants de flexion (le point auquel un courant croissant ne produit pas de champ magnétique supplémentaire). Une façon d'obtenir une puissance supplémentaire consiste à agrandir le tore et à ajouter des aimants de flexion supplémentaires. Cela permet de réduire la quantité de réorientation des particules à la saturation et donc de rendre les particules plus énergétiques. Un autre moyen d'obtenir une puissance plus élevée est d'utiliser des aimants supraconducteurs, ceux-ci n'étant pas limités par la saturation du noyau.

Lorsque les particules ont atteint leur énergie maximale, elles sont dirigées hors du synchrotron et dirigées vers une cible. Les premiers synchrotrons utilisaient des cibles stationnaires. Afin de doubler l'énergie d'une collision, les physiciens ont commencé, dans les années 1970, à faire entrer en collision deux faisceaux de particules voyageant en sens inverse au lieu d'un seul faisceau et d'une cible fixe. Pour avoir deux faisceaux qui se déplacent dans le synchrotron dans des directions opposées, ils utilisaient des particules de même masse mais de signe opposé. Par exemple, des électrons et des positrons ou des protons et des antiprotons.

L'un des premiers grands synchrotrons, aujourd'hui à la retraite, est le Bevatron, construit en 1950 au Lawrence Berkeley Laboratory. Le nom de cet accélérateur de protons vient de sa puissance, de l'ordre de 6,3 GeV (alors appelé BeV pour milliard d'électron-volts ; le nom est antérieur à l'adoption du préfixe SI giga-). Un certain nombre d'éléments lourds, invisibles dans le monde naturel, ont été créés pour la première fois avec cette machine. Ce site est également l'emplacement de l'une des premières grandes chambres à bulles utilisées pour examiner les résultats des collisions atomiques produites par la machine.

Le Cosmotron construit au Brookhaven National Laboratory, qui a atteint 3,3 GeV en 1953, est un autre des premiers grands synchrotrons. Le premier synchrotron de l'université Cornell a été construit avant 1950 avec une puissance de 300 MeV.

Jusqu'en août 2008, le synchrotron à plus haute énergie du monde était le Tevatron, au Fermi National Accelerator Laboratory, aux États-Unis. Il accélère les protons et les antiprotons jusqu'à un peu moins de 1 TeV d'énergie cinétique et les fait entrer en collision. Le Grand collisionneur de hadrons (LHC), qui a été construit au Laboratoire européen de physique des hautes énergies (CERN), a une énergie environ sept fois supérieure (les collisions protons-protons se produisent donc à environ 14 TeV). Il est logé dans le tunnel de 27 km qui abritait auparavant le collisionneur de grands électrons et de positrons (LEP). Il restera donc le plus grand dispositif scientifique jamais construit. Le LHC accélérera également les ions lourds (tels que le plomb) jusqu'à une énergie de 1,15 PeV.

Le plus grand dispositif de ce type sérieusement proposé était le Super collisionneur supraconducteur (SSC), qui devait être construit au Texas. Cette conception, comme d'autres, utilisait des aimants supraconducteurs qui permettent de créer des champs magnétiques plus intenses sans les limites de la saturation du noyau. La circonférence prévue de son anneau était de 87,1 kilomètres (54,1 mi) avec une énergie de 20 TeV par faisceau de protons. La construction a commencé en 1991, mais a été annulée en 1994. Le projet avait été mal géré. Certains disent que la fin de la guerre froide a entraîné un changement des priorités de financement scientifique qui a contribué à son annulation définitive.

S'il existe encore un potentiel pour des accélérateurs cycliques de protons et de particules lourdes encore plus puissants, il semble que la prochaine étape dans l'énergie du faisceau d'électrons doit éviter les pertes dues au rayonnement synchrotron. Il faudra pour cela revenir à l'accélérateur linéaire, mais avec des dispositifs nettement plus longs que ceux actuellement utilisés. Un effort important est actuellement déployé pour concevoir et construire l'International Linear Collider (ILC), qui sera composé de deux accélérateurs linéaires opposés, l'un pour les électrons et l'autre pour les positrons. Ceux-ci entreront en collision à un centre de masse d'énergie totale de 0,5 TeV.

Cependant, le rayonnement synchrotron a également un large éventail d'applications (voir le rayonnement synchrotron) et de nombreux synchrotrons de 2e et 3e générations ont été construits spécialement pour l'exploiter. Les plus grandes de ces sources de rayonnement synchrotron de troisième génération sont l'Installation européenne de rayonnement synchrotron (ESRF) à Grenoble, en France, la Source de photons avancée (APS) près de Chicago, aux États-Unis, et le SPring-8 au Japon, qui accélèrent les électrons jusqu'à 6, 7 et 8 GeV, respectivement.

Les synchrotrons utiles à la recherche de pointe sont de grandes machines dont la construction coûte des dizaines ou des centaines de millions de dollars, et chaque ligne de faisceau (il peut y en avoir 20 à 50 dans un grand synchrotron) coûte en moyenne deux ou trois millions de dollars supplémentaires. Ces installations sont pour la plupart construites par les organismes de financement de la science des gouvernements des pays développés, ou par des collaborations entre plusieurs pays d'une même région, et sont exploitées comme des infrastructures mises à la disposition des scientifiques des universités et des organismes de recherche du pays, de la région ou du monde entier. Des modèles plus compacts ont cependant été développés, comme la source lumineuse compacte.

• Remarque : dans le cas des collisionneurs, l'énergie citée est souvent le double de celle qui est indiquée ici. Le tableau ci-dessus indique l'énergie d'un faisceau, mais si deux faisceaux opposés entrent en collision frontale, l'énergie du centre de masse est le double de l'énergie du faisceau indiquée.

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