LES ACCÉLÉRATEURS DE SACLAY

R. Viénet-Legué
1. LES ACCÉLÉRATEURS, QU’EST-CE QUE C’EST ?
2. CONSTITUTION DE LA MATIERE
   2.1. CHIMIE
     2.1.1. La chimie minérale
     2.1.2. La chimie organique
   2.2. PHYSIQUE NUCLÉAIRE
3. UTILISATION MODERNE DES ACCÉLÉRATEURS
   3.1. LES RÉACTIONS NUCLEAIRES A BASSE ENERGIE
   3.2. LES RÉACTIONS NUCLÉAIRES A HAUTE ENERGIE
4. CONSTITUTION D’UN ACCÉLÉRATEUR A IONS POSITIFS
5. AUGMENTATION DE L’ÉNERGIE DES ACCÉLÉRATEURS
   5.1. LE CYCLOTRON
   5.2. LE CYCLOTRON DE LAWRENCE
   5.3. LE COSMOTRON (LE PREMIER SYNCHROTRON - 1952)
6. SATURNE
7. AUTRES ACCÉLÉRATEURS
   7.1. LES ACCÉLÉRATEURS AUXILIAIRES
   7.2. LES ACCÉLÉRATEURS INJECTEURS LINEAIRES
   7.3. LES INJECTEURS CIRCULAIRES

1. LES ACCÉLÉRATEURS, QU’EST-CE QUE C’EST ?         
Tout le monde connaît l’accélérateur dans une voiture, c’est en fait la pédale qui agit sur l’arrivée du mélange air-essence vers le moteur pour augmenter sa puissance. La force qui agit sur la voiture s’accroît et, l’accélération étant plus forte, la vitesse de la voiture augmente. En mécanique on écrit que cette accélération est G = F/m, F étant la force et m la masse (elle-même proportionnelle au poids, grandeur plus familière). On écrit aussi, V étant la vitesse et t le temps d’application de la force, V = G t.
En fait, l’Homme n’a pas attendu l’arrivée des Scientifiques pour comprendre l’intérêt de la vitesse acquise par un morceau de matière. Agissant contre la Nature hostile qui l’entourait, il s’en est servi pour casser des rochers ou tuer des animaux en lançant des cailloux, c’était lui alors qui était le premier accélérateur. Nous allons voir que nous utilisons nos accélérateurs modernes aussi pour donner de la vitesse à des projectiles pour casser des cibles
Avant de décrire nos accélérateurs nous allons préciser ce point.

2. CONSTITUTION DE LA MATIERE
        
L’Homme a-t-il le pouvoir de modifier la Nature ? Quelles sont les énergies mises en jeu ?

2.1. Chimie
2.1.1. La chimie minérale
Dès la fin du 18ème siècle, c’est avec Lavoisier qu’on a constaté que la matière est constituée de molécules spécifiques correspondant à des propriétés caractéristiques. Des molécules différentes réagissant ensemble créent d’autres molécules (ex : l’hydrogène réagissant avec l’oxygène donne de l’eau). Ceci a montré qu’elles sont constituées d’atomes considérés longtemps comme insécables. Selon l’assemblage de ces atomes, on obtient différentes molécules. L’atome comprend un noyau positif autour duquel tournent des électrons négatifs.
2.1.2. La chimie organique
Il existe des atomes de carbone et des atomes d’oxygène et d’hydrogène dans la plupart des molécules qui constituent les organismes vivants. Mais, contrairement aux croyances du 18ème siècle, on peut obtenir ces molécules organiques par des réactions en laboratoire sans faire appel à des actions surnaturelles. La synthèse de l’urée en 1828 par Wollier a réduit à néant beaucoup d’idées mystiques.
NB - Les énergies mises en jeu dans ces réactions sont de l’ordre de l’électron-Volt (voir plus loin le sens de cette expression).
2.2. Physique nucléaire
Cependant l’atome semblait un édifice que l’homme ne pouvait casser. Mais au milieu du 19ème siècle grâce à Becquerel, l’Homme a découvert la radioactivité. Des atomes se cassent tout seuls et expulsent des atomes d’ion ionisés (appelés particules alpha) dont l’énergie est de l’ordre du million d’électron-Volt.

Beaucoup plus tard, en 1919, la première réaction nucléaire a été réalisée par Rutherford ; il envoyait des particules alpha issues d’un corps radioactif sur de l’azote et il constata qu’un proton et un atome d’oxygène étaient émis.

Cette expérimentation se faisait sans accélérateur car personne n’y avait pensé. C’est en 1924 que Van de Graaff, en assistant à une conférence de Marie Curie à Paris, a eu l’idée d’utiliser des particules chargées rapides créées par un accélérateur. Or il étudiait lui-même déjà la possibilité de réaliser un accélérateur à tension élevée.

L’utilisation d’un corps radioactif ne permettait pas le réglage de l’intensité, ni celui de l’énergie des particules envoyées sur les différentes cibles ; tandis qu’avec des accélérateurs, les physiciens disposaient de particules de caractéristiques déterminées ; il devenait alors possible de faire des mesures sur des réactions nucléaires caractérisées par le projectile et par la cible. Les premiers succès ont été obtenus avec le Cockroft-Walton (un générateur à redresseurs) en 1932 et le Van de Graaff en 1934. Des protons de 700 KeV ont été envoyés sur une cible en Lithium : 2 particules alpha ont été obtenues.

Alors que les essais de Rutherford supposaient la nécessité de corps radioactifs déjà existants, ce qui montrait que l’Homme n’avait pas encore le pouvoir de modifier artificiellement les atomes, Cockroft et Walton ont donc montré qu’il avait aussi ce pouvoir grâce aux accélérateurs . Nous constatons qu’avec ces instruments la même méthode que l’Homme préhistorique, qui cassait des rochers avec des projectiles, a été réutilisée.


3. UTILISATION MODERNE DES ACCÉLÉRATEURS        
N.B. Nous ne traiterons ici que les accélérateurs à particules positives.
3.1. LES REACTIONS NUCLEAIRES A BASSE ENERGIE
Les accélérateurs sont donc des appareils qui permettent de communiquer une certaine vitesse à des atomes, en généralisant on dit des particules. Les vitesses recherchées dépendent de l’utilisation et elles sont très variables. L’accélération s’obtient par l’action d’une force appliquée sur les particules choisies. Les forces disponibles sont celles qui résultent de l’action d’un champ électrique. Les atomes ou les molécules ne peuvent donc être soumis à une force que s’ils sont ionisés. Généralement il suffit de leur arracher au moins une charge négative (voir plus loin). Remarquons qu’on ne peut pas appliquer une force à des neutrons qui ne sont pas chargés. Des neutrons rapides ne peuvent être obtenus qu’indirectement en faisant une réaction nucléaire.
N.B. une particule une fois ionisée a une charge égale à celle de l’électron ; si elle est accélérée par une différence de potentiel de 1 volt, son énergie est de 1 électron-volt.
Les énergies obtenues avec les premiers accélérateurs sont données en millier d’électron-volts (keV) mais on atteint le million (MeV), puis le milliard d’électron-volts (GeV).
Le ”Cockroft” donnait des particules de 700 keV et le Van de Graaff de l’ordre de 3 Mev. Les Van de Graaff ont été améliorés et ont donné des particules de 5 MeV
Avec les cyclotrons ce sont des tensions d’accélération de 20 MV qui ont été obtenues. On pouvait accélérer des protons ou des deutons. Des deutons de 20 MeV envoyés sur une cible de Béryllium donnaient des neutrons utilisables pour découvrir leurs propriétés utiles à l’électronucléaire. Des expériences analogues ont été utiles jusque dans les années 50.
3.2. LES REACTIONS NUCLEAIRES A HAUTE ENERGIE
L’étude du rayonnement venant du ciel dit rayonnement cosmique a commencé durant les années trente. On y a détecté des particules ionisantes dont la masse était 200 fois celle de l’électron. Un vaste domaine d’étude apparaissait mais dans des domaines d’énergies beaucoup plus élevées que celles des accélérateurs ci-dessus qui n’avaient qu’un seul espace d’accélération et où les particules se déplaçaient sur une ligne droite.
On construit actuellement au CERN. le LHC (large hadron collider) qui pourra produire la collision de 2 particules à des énergies de l’ordre de 5 TeV pour l’étude des interactions fortes. A ces énergies, avec des noyaux de plomb, on créera des réactions semblables à celles qui ont dû se produire pendant le Big Bang à la naissance de notre Univers. Avec des protons on devrait pouvoir mettre en évidence la particule X qui serait à l’origine de la masse des corps.

4. CONSTITUTION D’UN ACCÉLÉRATEUR A IONS POSITIFS.        
Nous allons expliquer ce qu’est un accélérateur en nous limitant à des explications qualitatives. Les lecteurs intéressés pourront trouver à la permanence de l’ARCEA des documents plus théoriques (par exemple : ”Le petit Bruck” de 1966), nous contacter préalablement.
Comme déjà mentionné ci-dessus, quand les physiciens au 19ème siècle ont découvert que certaines substances dites radioactives émettaient des particules chargées, ils ont étudié ces particules. Ils ont constaté que certaines étaient en fait des atomes déjà connus, mais qu’elles étaient chargées positivement. Par l’action d’un champ magnétique, ils ont pu mesurer leur vitesse et donc leur énergie cinétique.
Avec Van de Graaff, les physiciens ont imaginé de créer artificiellement ces particules, par l’ionisation de l’atome dans une source d’ions et son accélération sous vide entre 2 électrodes l’une étant à la masse, l’autre à la haute tension. Voici le schéma de ce système :
Sur la photo ci-dessus, on voit une réalisation moderne du plus simple des accélérateurs à un seul étage. Cet ensemble doit être enfermé dans une cloche contenant du gaz isolant pour tenir une tension de l’ordre du mégavolt. La photo ci-dessus représente le préinjecteur du linac 20 MeV appelé "Amalthée"
On voit les isolants formés par des portions de cylindre en polycarbonate qui tiennent bien les champs électriques de près de 100 kV/cm à condition d’être maintenus dans une atmosphère très sèche d’azote et gaz carbonique à 20%. La prise d’humidité sur quelques heures est réversible.
Parallèlement à l’isolant à l’intérieur de la partie basse de la colonne, on a placé un tube isolant dans lequel les particules sont accélérées sous vide depuis l’électrode haute tension jusqu’à la masse. Le tube isolant qui enferme le faisceau comporte des électrodes de répartition de tension. Les circuits électroniques qui alimentent la source et les électrodes d’extraction du faisceau sont dans l’électrode Haute Tension.
C’est aussi le cas de la machine de Van de Graaff qui a l’avantage de donner des tensions plus élevées.

5. AUGMENTATION DE L’ENERGIE DES ACCÉLÉRATEURS        
5.1. LE CYCLOTRON (voir aussi : La médecine nucléaire)
Dans un cyclotron on utilise les 2 phénomènes suivants :
Une particule ionisée qui se déplace dans un champ magnétique est soumise à une force, comme les bobinages d’un moteur électrique pour le faire tourner. Cette force courbe les trajectoires de chaque particule afin qu’elle repasse plusieurs fois dans l’intervalle d’accélération.
Aux bornes d’un condensateur plan qui forme un intervalle d’accélération placé en parallèle sur un bobinage apparaît une tension alternative. Si la particule a un mouvement synchronisé à la même fréquence que le circuit ci-dessus, et si elle passe dans l’intervalle d’accélération au moment où la tension est positive elle la repoussera vers la tension négative qui l’attirera. Elle subira ainsi n fois la tension initiale, si elle fait n passages. On peut montrer qu’il y a une certaine tolérance dans la synchronisation.

5.2. LE CYCLOTRON DE LAWRENCE - (BROOKHAVEN NNATIONAL LABORATORY - B.N.L.) 1934
Comme expliqué ci-dessus, on utilise plusieurs fois le champ électrique accélérateur en courbant les trajectoires de particules grâce à un champ magnétique.
Précisons qu'il est constant dans un cyclotron. Il est créé par un gros électroaimant massif. Les particules partent du centre et elles sont accélérées jusqu'à la périphérie où elles sont extraites par un modelage du champ magnétique et par la répartition d'un champ électrique. Mais leur énergie est limitée par la dimension de l’aimant. Or la course à l’énergie se poursuivit après la découverte des rayons cosmiques.
Pour étudier des phénomènes similaires à ceux produits par les rayons cosmiques on démarra des études pour construire sur la côte Est des U.S.A. le Cosmotron (3 GeV), et, sur la côte ouest, le Bevatron (6 GeV). Et à Doubna, en URSS, à partir de 1956, le Synchrophasotron (10 GeV)
La création du centre de recherche de Genève (Le CERN) et l’étude du PS (le Proton Synchrotron) furent décidés en 1956. Mais l’énergie prévue était encore plus élevée : 28 GeV.

5.3. LE COSMOTRON (LE PREMIER SYNCHROTRON - 1952)   (1)
Dans un synchrotron, voir photo ci-contre, on augmente le champ magnétique pour que la trajectoire soit toujours dans une chambre à vide qui se présente comme un tore inséré dans l’entrefer de l’aimant. La fréquence du champ électrique accélérateur doit croître aussi, puisque les vitesses des particules augmentent et que donc la fréquence de leur passage en un point donné de la trajectoire augmente. Mais il faut forcément une synchronisation (d’où le nom de synchrotron) entre la tension électrique du gap accélérateur et le courant électrique qui passe dans l’électroaimant.
Il y a au moins une particule qui décrit ”sagement” la trajectoire centrale d’un mouvement uniforme ; les autres particules oscillent autour de cette particule idéale ; l’oscillation le long de la trajectoire est appelée oscillation synchrotron. Les particules qui ne sont pas rigoureusement sur le bon cercle y sont ramenées par le champ magnétique des quadripôles; on dit qu’on les focalise et on appelle cette oscillation radiale perpendiculaire à la trajectoire une oscillation Bêtatron. On crée ainsi un faisceau de particules qui circule dans la chambre sous vide. Après environ 3 secondes, le faisceau a atteint l’énergie demandée par les physiciens ; on l’éjecte alors de la machine et on le remet aux physiciens.
L’injecteur comporte une source d’ions qui sont pré-accélérés avant d’être injectés dans le Synchrotron. Pour que les ions évoluent sur la même trajectoire, le champ magnétique de courbure augmente, de même que la fréquence de la cavité accélératrice.

(1) Le Bévatron de Berkeley était alors en construction

6. SATURNE        
En 1954, le C.E.A. avec le Van de Graaf avait déjà commencé des études sur les réactions nucléaires surtout dans le cadre de la bombe atomique et pour la production d’énergie. Mais les responsables ont décidé d’étendre les recherches aux mêmes domaines que les USA, à Brookhaven en particulier. La décision fut prise de construire Saturne avec un groupe d’ingénieurs (les Ingénieurs de Saturne). De plus, pour l’expérimentation sur Saturne et par la suite pour les études à plus hautes énergies sur le P.S. du C.E.R.N, il fallait donner une formation suffisante aux physiciens. On créa alors un groupe de physiciens qui seront attachés aux expériences de Saturne : les Physiciens de Saturne.
Saturne a démarré en 1958. Par la suite, ce synchrotron a subi des modifications importantes d’abord en conservant son aimant de guidage représenté sur la figure ci-dessus avec, dans l’entrefer, la chambre à vide dans laquelle le faisceau circule, ainsi qu'un des postes de pompage qui maintiennent le vide dans cette chambre.(voir photo page précédente)
Par la suite en 1974, l’anneau de Saturne fut complètement modifié. et composé d’aimants de rayons de courbure beaucoup plus courts et d’aimants de focalisation dits quadripôles. Cette modification profonde a permis d’obtenir des faisceaux extraits sinon plus intenses mais surtout de meilleure qualité optique (photo ci-contre).

La publication « URANIE » N° 18 de Décembre 2001, disponible à l’A.R.C.E.A Saclay, donne des détails sur SATURNE et ses modifications.


7. AUTRES ACCÉLÉRATEURS         
7.1. LES ACCÉLÉRATEURS AUXILIAIRES
Les accélérateurs circulaires décrits ci-dessus ont donc des champs magnétiques de guidage croissants avec l’énergie des particules qu’ils accélèrent. Mais à basse énergie, donc au début du cycle, quand le champ magnétique commence à croître, il existe un champ rémanent qui résulte de l’aimantation créée au cycle précédent.
Il s’ajoute au champ créé par le courant d’aimantation ; mais alors que ce dernier est correctement distribué radialement selon la forme des pièces polaires ; le champ rémanent a une répartition qui dépend de la saturation des pièces polaires du cycle précédent.
Dans ces conditions, le guidage des particules injectées est aléatoire. pendant le cycle de montée du champ. Il faut donc attendre que le champ rémanent soit suffisamment petit par rapport aux champs crées par les courants. Mais alors, pour que les particules injectées puissent entrer dans la chambre, il faut qu’elles aient déjà une énergie suffisante; on adjoint au montage un accélérateur injecteur. De plus, si l’intensité recherchée est élevée, les particules se repoussent entre elles du fait de leur ionisation; on dit qu’elles divergent par charge d’espace.
L’action de cette charge d’espace diminue quand la vitesse des particules augmente. Les accélérateurs injecteurs seront choisis aussi selon cette contrainte.
7.2. LES ACCÉLÉRATEURS INJECTEURS LINEAIRES


Les particules sortent de la source d’ions grâce à une électrode d’extraction Leur énergie est déjà voisine du Kilo-électron-volt (KeV). Grâce à un montage où le tube accélérateur est sous pression, tel que celui de la figure "amalthée", l’énergie peut approcher le MeV et, avec les Van de Graaf, atteindre plusieurs mégavolts. Pour des accélérateurs à grande intensité, il faut atteindre des énergies d’injection d'une dizaine de MeV.



On utilise alors un linac (accélérateur linéaire). Dans ces accélérateurs au lieu de faire tourner le faisceau pour l'accélérer plusieurs fois, on peut le laisser en ligne droite et y placer des intervalles d’accélération comportant des champs accélérateurs (voir photo ci-contre) à la même fréquence mais avec des intervalles croissants selon l’augmentation de vitesse des particules pour qu’elles y arrivent quand la tension alternative est effectivement accélératrice. On réalise ainsi des accélérateurs linéaires qui pourraient fournir un faisceau semi continu à la sortie. L’intensité est évidemment modulée à la fréquence de la tension accélératrice du linac. Mais dans le synchrotron cette modulation disparaît.

7.3. LES INJECTEURS CIRCULAIRES
Dans certains cas, la limitation de l’intensité ne provient pas du système accélérateur mais de la source elle-même: par exemple quand il s’agit d’accélérer des particules polarisées ou des ions lourds. Ceci a été le cas pour l’accélérateur SATURNE du C.E.A. SACLAY. c’est ainsi que pendant les dix dernières années de la vie de cet accélérateur, l’injection se faisait par un petit synchrotron permettant une injection longue avec stockage (cas de la source de particules polarisées) ou à pulsation rapide (cas de la source d’ions lourds).
Pour plus d’information consulter ;”The 20 years of the synchrotron SATURNE 2”. de Word Scientific sur demande à la Permanence de l’ARCEA SACLAY
 

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