C’était la première esquisse d’un accélérateur linéaire à électrons à ondes progressives, où le champ accélérateur se propage de façon à être actif en chaque point de la trajectoire au moment où la particule s’y présente.
Elle n’était pas techniquement praticable à l’époque, mais, trois ans plus tard, R. Wideröe démontrait la validité du principe du champ accélérateur ne s’établissant qu’au moment où la particule traverse un espace accélérateur, en faisant fonctionner un dispositif doubleur d’énergie où un oscillateur radio à la fréquence de 1 MHz produisait des potentiels alternatifs dans deux intervalles successifs d’accélération. La condition de résonance était que la distance entre les deux intervalles soit parcourue par la particule dans un temps égal à une période du champ alternatif.
E. O. Lawrence, après avoir évalué à plusieurs mètres la longueur d’un accé-
lérateur linéaire à protons de 1 MeV, ce qui paraissait bien trop grand à l’échelle des laboratoires de l’époque, eut l’idée de faire passer la particule de nombreuses fois à travers un petit nombre d’espaces accélérateurs, le résultat étant obtenu en courbant les trajectoires par un champ magnétique. Le principe du cyclotron était découvert.
Le cyclotron
La fréquence f de rotation d’ions de masse m, de charge électrique e, placés dans un champ magnétique uniforme H, décrivant avec la vitesse v des trajectoires de rayon R définies par
est indépendante de v et R tant que les corrections relativistes sont négligeables, car
C’est la « fréquence cyclotron ».
On dispose deux électrodes creuses, semi-circulaires, face à face, séparées par un espace dans lequel s’établit un champ électrique alternatif. Les ions défléchis par un champ magnétique tournent à l’intérieur des électrodes et sont accélérés à chaque traversée de l’espace intermédiaire pourvu que le champ alternatif soit en résonance avec leur fréquence de rotation.
Comme f ne varie pas avec l’énergie des ions, on peut utiliser un champ alternatif de fréquence fixe, égale à f. À chaque traversée, l’ion gagne un peu d’énergie et poursuit une trajectoire semi-circulaire de rayon un peu augmenté. L’ion a donc un trajet en spirale jusqu’à l’orbite de rayon extrême définie par les dimensions des pièces polaires du cyclotron, qui détermine l’énergie maximale à laquelle sortent les particules.
Avec un champ magnétique de
10 000 oersteds, le champ alternatif de radiofréquence créant la différence de potentiel entre les électrodes a une longueur d’onde de 20 m. Un cyclotron classique de 1,5 m de diamètre produit des protons ou deutons d’une vingtaine de mégaélectrons-volts.
La course vers les énergies plus
élevées est limitée par les corrections relativistes, qui, du fait de la variation de masse des particules (un proton de 20 MeV met 2 p. 100 de temps de plus à parcourir son orbite du fait de la correction relativiste), imposent de modifier la fréquence en cours d’accélération.
La solution devait être trouvée grâce au principe de l’accélération synchrone pour la recherche d’énergies toujours plus élevées et par la méthode d’alternance des gradients de champ magné-
tique pour focaliser les faisceaux dans les « cyclotrons relativistes ».
Les accélérateurs linéaires De semblables difficultés n’existent pas pour les accélérateurs linéaires, où les particules traversent une suite d’électrodes tubulaires mises alternativement en connexion avec les deux pôles d’une source de radiofréquence. Pour que les ions restent en résonance, la longueur des électrodes, qui représente la distance entre les espaces accélérateurs, augmente avec la vitesse des particules.
La première tentative d’accélérer ainsi des ions par D. H. Sloan était limitée par le manque de sources convenables de puissance HF. Il a fallu les progrès des techniques d’hyperfréquence liées à la mise au point du radar pour que le premier accélérateur linéaire de protons utilisable soit mis en service par Luis W. Alvarez en 1946. Une cavité downloadModeText.vue.download 60 sur 543
La Grande Encyclopédie Larousse - Vol. 1
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résonnante à 200 MHz était le siège d’ondes stationnaires, appliquant ainsi le champ électrique accélérateur entre les électrodes de longueurs croissantes qui servaient en même temps d’écran pour le parcours des particules durant les alternances décélératrices.
De nombreux accélérateurs linéaires à protons existent maintenant dans les laboratoires. Certains sont les injecteurs d’accélérateurs géants, au niveau de 50 MeV et même de 200 MeV pour les machines de 200 à 300 GeV en
construction. Le dernier-né de la technique est l’accélérateur dont la mise en service est prévue pour 1972 à Los Alamos (États-Unis) : long de près de 1 km, il fournira un courant moyen de 1 mA de protons de 800 MeV et servira notamment de source extrêmement intense de mésons pi, ou pions. D’autres machines sont spécialement conçues pour l’accélération d’ions lourds.
L’essor très rapide, dès 1946, des ac-célérateurs linéaires à électrons résulte des travaux accomplis dans plusieurs laboratoires, en premier par W. W. Hansen à Stanford et J. C. Slater au M. I. T.
(Cambridge), aux États-Unis, et par
D. W. Fry en Grande-Bretagne. Il a été facilité par le fait que les électrons ont très tôt une vitesse quasi constante, car, dès 2 MeV, un électron a 98 p. 100 de la vitesse de la lumière. Ainsi, les espacements à prévoir sont constants et petits. On peut utiliser des empilements de cavités résonnant dans les bandes classiques du radar « S » (3 000 MHz) et « L » (1 400 MHz), et faire se propager les électrons suivant l’axe de ces empilements, constituant un véritable
« guide d’ondes » où le champ électrique est apporté par les ondes électromagné-
tiques se propageant progressivement.
Les électrons font tout leur trajet « à la crête de l’onde », en synchronisme avec les maximums du champ électrique. Il n’y a pas de limitations autres que technologiques et économiques à l’énergie accessible, car l’énergie croît avec la longueur de l’accélérateur. De plus, l’intensité accélérée dans les impulsions de faisceau, à la crête de l’onde, est très grande ; malheureusement, elle n’est pas distribuée continûment dans le temps, ce qui est parfois gênant et a conduit à essayer d’allonger les impulsions et à les multiplier, au prix d’une lourdeur croissante de l’appareillage.
Les deux appareils extrêmes en fonctionnement sont ainsi :
— l’accélérateur linéaire « monstre » de 3 km de long de Stanford (États-Unis), qui a le record de l’accélération des électrons à grande énergie, atteignant 20 GeV d’énergie et 60 mA de courant crête (impulsions de durée 1,6 μs ; taux de répétition, 360 par seconde), et de la production de positrons accélérés aux environs de 10 GeV à partir d’une cible bombardée par des électrons de 6 GeV ;
— l’accélérateur linéaire à grande intensité de Saclay (France), qui peut accélé-
rer un courant moyen de plus de 500 μA d’électrons, aux environs de 500 MeV, distribué dans des impulsions de 10 μs répétées 1 000 à 2 000 fois par seconde.
Par ailleurs, certaines utilisations (notamment comme sources de neutrons*) ont, au contraire, conduit à mettre au point des accélérateurs linéaires fournissant des intensités crêtes très élevées dans des impulsions très brèves, tel l’ac-célérateur d’Oak Ridge (États-Unis), prévu pour accélérer vers 150 MeV des
courants instantanés d’électrons de plus de 15 A dans des impulsions pouvant être raccourcies jusqu’aux environs de 2 ns.