Citons aussi un type particulier d’ac-célérateur linéaire de très haute intensité, où c’est l’induction magnétique qui crée le champ électrique. Ainsi, au lieu de cavités où règne un champ HF, on trouve des anneaux de matériaux ma-gnétiques où une impulsion électrique dans une bobine toroïdale provoque une variation de flux magnétique induisant un champ électrique axial. L’accélérateur linéaire « Astron » installé à Liver-more (Californie) fonctionne suivant ce principe et fournit, dans ses performances les plus récentes, 800 ampères d’électrons de 4,2 MeV dans des impulsions de 0,3 microseconde de durée.
L’accélération synchrone
Les performances du cyclotron étaient considérées comme doublement limitées vers les énergies élevées. Pour les ions relativement lourds, les variations de masse dues aux effets relativistes restent négligeables ; l’énergie obtenue par nu-cléon est en général assez faible, mais elle croît comme le carré de la charge électrique des ions accélérés. Un progrès notable résulte donc de l’injection d’ions multichargés en dépassant les performances des meilleures sources d’ions ; d’où le succès actuel des combinaisons de deux accélérateurs (cyclotrons et accélérateur linéaire ou accélérateur électrostatique), « l’épluchage » de l’ion préaccéléré étant effectué, par exemple, à la traversée d’une feuille mince.
Mais c’est surtout le cas des protons et des ions légers qui, du fait de la correction relativiste de masse, donc de l’allongement du temps de parcours d’une orbite, demande une généralisation de la méthode de résonance pour atteindre les énergies les plus hautes.
En effet, d’après les équations [1] et
[2], on voit qu’à l’augmentation de la vitesse v (donc du coefficient x) est lié un accroissement de la masse m entraî-
nant une diminution de la « fréquence cyclotron » f de la particule accélérée : celle-ci ne sera donc plus en résonance avec le champ accélérateur HF, dont la fréquence est fixe.
Pour rétablir la condition de résonance, V. Veksler et E. M. McMillan ont, en 1945, simultanément proposé les deux types de solutions :
— maintenir constant le champ magné-
tique en diminuant progressivement la fréquence du champ accélérateur (principe du synchrocyclotron) ;
— maintenir constante la fréquence du champ accélérateur en augmentant progressivement le champ magnétique (principe du synchrotron).
Mais ces solutions n’étaient viables que si les particules accélérées demeuraient sur des orbites stables au cours des variations de fréquence et de champ, de façon que la résonance soit sauvegardée. Or, les auteurs démontrèrent la propriété de « stabilité de phase »
de certaines orbites. Soit par exemple une particule se présentant durant une alternance décroissante du champ HF
accélérateur ; si elle est déphasée en avance, elle sera accélérée davantage, ce qui diminuera sa vitesse angulaire, donc allongera le temps de parcours de son orbite et la fera arriver « en retard »
au prochain tour, la ramenant ainsi vers la phase d’équilibre. La lente variation de la fréquence s’accompagnera alors d’une variation de l’énergie d’équilibre, selon un comportement analogue à celui d’un moteur synchrone ; d’où le nom d’accélération synchrone. Des raisonnements analogues sont valables pour l’accélération avec variation de champ magnétique.
Les espaces accélérateurs sont en général répartis en divers points de l’orbite. Il peut y en avoir, au contraire, un seul : c’est le cas du microtron, où les trajectoires sont une famille de cercles tangents au point où est situé l’espace accélérateur.
L’accélération synchrone présente un désavantage sérieux par rapport au principe du cyclotron : l’intensité du faisceau n’est plus débitée en continu, mais seulement au minimum de la
modulation de la fréquence ou au maximum de la croissance du champ magné-
tique, l’injection ayant lieu au contraire à la valeur maximale de fréquence ou à l’amplitude minimale du champ magné-
tique.
Le cas le plus simple est celui du synchrotron à électrons, où, dès les énergies de quelques mégaélectrons-volts, les particules sont quasiment à une vitesse constante, égale à la vitesse c de la lumière, ce qui permet de conserver, sur une orbite circulaire de rayon bien dé-
fini, une fréquence constante du champ HF accélérateur. Le champ magnétique downloadModeText.vue.download 61 sur 543
La Grande Encyclopédie Larousse - Vol. 1
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est modulé de façon cyclique ; l’accé-
lération a lieu pendant un quart d’alternance, le champ magnétique ne servant ici que de guide pour maintenir l’électron sur son orbite et le gain d’énergie étant assuré par le champ électrique établi dans les cavités HF. La stabilité de phase est obtenue à condition que les électrons franchissent les cavités accé-
lératrices à une phase telle qu’elles rencontrent le champ HF accélérateur au cours de sa décroissance. Ainsi ont été construits des synchrotrons à électrons de plusieurs centaines de mégaélectrons-volts.
Dans le cas des particules lourdes, tant que leur énergie totale n’est pas de beaucoup supérieure à leur énergie au repos, il est commode de moduler la fréquence du champ HF, à champ magnétique constant : le synchrocyclotron accélère des protons, des deutons, des ions d’hélium le long de trajectoires en spirales avec des oscillations stables autour de la phase d’équilibre. L’énergie n’est limitée que par l’extension du champ magnétique uniforme. Les synchrocyclotrons s’avérèrent très efficaces : dès 1946, le synchrocyclotron de Berkeley (États-Unis), de 184 pouces de diamètre, accélérait des deutons jusqu’à 190 MeV et des ions hélium jusqu’à 380 MeV. Puis les synchrocyclotrons ont constitué, des États-Unis à l’U. R. S. S. (Doubna), en passant par le Cern, un équipement de choix dans la gamme des énergies de protons de 300 à 700 MeV. Monter davantage en énergie, donc utiliser des diamètres encore plus élevés, paraissait difficile, compte tenu
du poids et donc du coût des électro-aimants gigantesques de ces machines.
Au contraire, le principe du synchrotron à protons, s’il met en jeu des rayons d’orbites très élevés, ne comporte plus que des trajectoires à rayon très peu variable autour de l’orbite d’équilibre ; l’aimant a la forme d’un anneau. Ici, tant que l’énergie n’a pas atteint des valeurs très supérieures à celle de l’énergie au repos du proton (environ 1 GeV), la vitesse est variable, la fréquence aussi.
Il y a donc à la fois croissance du champ magnétique et accroissement progressif de la fréquence. L’accord de ces deux modulations assure la stabilité de phase.
L’accomplissement le plus spectaculaire de cette technique a été la construction des grands synchrotrons aux énergies de plusieurs gigaélectrons-volts ; citons notamment : le « cosmotron » de 3 GeV de Brookhaven (États-Unis) et son frère « Saturne » à Saclay (France), le « bévatron » de 6 GeV de Berkeley, le « synchrophasotron » de 10 GeV de Doubna (U. R. S. S.) et le « synchrotron à gradient nul » de 12 GeV d’Argonne (États-Unis). La course vers les plus hautes énergies restait cependant limitée là encore par le gigantisme de ces accélérateurs.
L’alternance des
gradients de champ
Dans les synchrotrons ordinaires, le champ magnétique décroît radiale-ment et le faisceau oscille autour de la trajectoire d’équilibre, ce qui nécessite de laisser pour la chambre à vide une grande ouverture dans l’entrefer. Un procédé d’amélioration de la focalisation constitue un perfectionnement important, car il permettra de réduire l’entrefer, donc d’économiser beaucoup sur le poids du circuit magnétique.
C’est l’intérêt de la découverte faite par N. Christofilos (1950) et, indépendamment, par une équipe de Brookhaven en 1952 : à la traversée d’un gradient de champ magnétique, c’est-à-dire d’une zone où le champ est plus intense d’un côté que de l’autre, les trajectoires de particules chargées convergent ou divergent suivant le signe du gradient ; mais, à la traversée de deux gradients de signes opposés, le résultat global est une convergence.