L’application de ce procédé aux synchrotrons a permis d’accroître le rayon de l’orbite, donc l’énergie finale, au prix d’un certain gigantisme certes, mais relativement limité. C’est ainsi qu’a été atteinte pour les protons la zone des 30 GeV avec le synchrotron du Cern à Genève (rayon moyen, 100 m ; énergie maximale, 28 GeV) et le synchrotron de Brookhaven (énergie maximale,
30 GeV), puis a été battu le record d’énergie par le synchrotron de Ser-poukhov (U. R. S. S.), en service depuis octobre 1967, avant 460 m de diamètre, accélérant à 70 GeV des impulsions de 1012 protons, répétées 7 à 8 fois par minute, tandis que se construit à Batavia (États-Unis) le synchrotron de 200 GeV
(pouvant être porté à 500 GeV), dont l’orbite a un rayon moyen de 1 km, et que s’étudie le nouveau synchrotron européen. Dans ces dernières machines, l’orbite principale n’est occupée que par un faisceau déjà produit dans un synchrotron « élanceur ».
Pour les électrons, ce procédé a
été appliqué d’abord dans le synchrotron de 6 GeV de Cambridge (ÉtatsUnis), d’environ 80 m de diamètre, puis dans les synchrotrons analogues de Hambourg (Allemagne), de Dares-bury (Grande-Bretagne) et d’Erevan (U. R. S. S.), le record d’énergie de 10 GeV étant atteint par le synchrotron de Cornell (États-Unis). L’énergie finit par être limitée par les énormes pertes dues au « rayonnement synchrotron »
émis par un électron soumis à une accé-
lération radiale (sur une trajectoire de 30 m de rayon, un électron de 6 GeV
perd environ 4,5 MeV par tour) et surtout parce que ces pertes provoquent des modifications de la quantité de mouvement des électrons, se traduisant par des oscillations entraînant les électrons hors de l’orbite d’équilibre.
Mais les propriétés focalisantes de l’alternance des gradients ont aussi donné naissance à une nouvelle génération de cyclotrons. Dès 1938, L. H. Thomas montrait que l’on pouvait obtenir, malgré l’effet de relativité, un temps de parcours constant de l’orbite parcourue dans un cyclotron : en introduisant une variation azimutale du champ magné-
tique, au moyen de pièces polaires en
forme de secteurs, les orbites ont la forme de festons, et la variation azimutale introduit des forces de rappel compensant l’effet défocalisant d’une croissance radiale du champ magnétique, qui assure la condition de résonance. On accélère ainsi des faisceaux continus et intenses de protons, de deutons, d’ions hélium et d’ions lourds dans des cyclotrons dénommés, au choix, isochrones, à focalisation par secteurs, à variation azimutale de champ, à crête en spirale.
Dans le domaine des basses éner-
gies, les cyclotrons sont ainsi devenus des instruments hautement précis, flexibles, intenses, tel le cyclotron de Grenoble, capable d’accélérer jusqu’à 50 MeV un faisceau continu de 100 μA de protons. Associés à des systèmes downloadModeText.vue.download 62 sur 543
La Grande Encyclopédie Larousse - Vol. 1
57
convenables de transport magnétique du faisceau, ils peuvent concurrencer les accélérateurs électrostatiques pour la résolution en énergie, en atteignant des énergies inaccessibles à ces derniers.
Ils se prêtent bien à des expériences sur les particules polarisées grâce au couplage avec les nouvelles sources d’ions polarisés par les méthodes d’injection axiale ou trochoïdale.
À plus haute énergie, dans le do-
maine que seuls atteignaient précédemment les synchrocyclotrons, les cyclotrons sont particulièrement recherchés, notamment comme sources intenses de particules secondaires, neutrons et surtout pions et muons. C’est le cas pour le cyclotron en construction à Zurich (Suisse), où un cyclotron isochrone de 70 MeV injecte un faisceau de 100 μA dans un cyclotron isochrone en anneau à 8 secteurs magnétiques en spirales, qui porte ce faisceau à une énergie de 500 MeV.
Il faut aussi mentionner que le principe d’alternance des gradients a été appliqué au transport des faisceaux de particules accélérées et aussi à la focalisation des particules le long des accélé-
rateurs linéaires, en faisant se succéder
des lentilles magnétiques alternativement convergentes et divergentes, notamment des lentilles quadrupolaires associées par deux (doublets) ou trois (triplets).
Les nouvelles générations
d’accélérateurs
Malgré les grands progrès accomplis dans notre compréhension de la structure de la matière grâce aux faisceaux de particules accélérées à des énergies de plusieurs dizaines de gigaélectrons-volts, malgré les nouveaux résultats qu’apportera la mise en service des ac-célérateurs aujourd’hui en construction ou en projet dans le domaine de 200 à 300 GeV, il sera sans nul doute nécessaire de poursuivre l’exploration du monde des particules élémentaires audelà de 1 000 GeV.
Une partie des informations peut être recueillie en organisant des collisions entre deux faisceaux de particules ac-célérées au lieu d’utiliser l’impact sur une cible au repos. C’est l’avantage des anneaux* de particules, qui permettent, dès à présent, de disposer dans le système du centre de gravité d’énergies su-périeures à 1 000 GeV, mais ces dispositifs n’offrent pas toutes les possibilités qu’assure la production d’un véritable faisceau accéléré à 1 000 GeV ou au-dessus.
Les méthodes actuelles de construction des accélérateurs conduiraient à des systèmes de taille gigantesque, dont le coût serait une part appréciable du budget d’États importants. La coopération internationale ou même mondiale ne permet que de reculer un peu la limite.
En effet, la construction d’accélérateurs linéaires se heurte à la valeur assez modeste du champ électrique maximal praticable avec les techniques actuelles : les 3 km de l’accélérateur à électrons de Stanford, dont l’énergie maximale serait de 40 GeV, ne peuvent raisonnablement pas être portés à 75 km pour atteindre 1 000 GeV ! De même, les accélérateurs circulaires sont amenés à présenter des diamètres toujours croissants, car la courbure de la trajectoire des particules ne pourrait être augmentée que si l’on augmentait en rapport l’intensité
du champ magnétique, ordinairement limitée aux environs de 1,5 à 1,8 tesla, à cause de la saturation du fer.
Il faut donc envisager de nouveaux procédés d’accélération ou, à défaut, reculer encore les limites des procédés actuels. Les procédés utilisant la propriété de supraconductivité de certains matériaux aux très basses températures sont déjà en cours d’application pour la construction d’éléments d’accélérateurs ; mais il semble bien que ce soient les procédés d’accélération collective ou cohérente, dont la mise au point demandera sans doute encore quelques années, qui soient susceptibles d’apporter le changement décisif espéré.
Applications de la
supraconductivité
La supraconductivité va permettre de supprimer les pertes ohmiques soit dans les cavités accélératrices où est établi un champ de radiofréquences, soit dans les bobinages destinés à produire un champ magnétique. Les progrès récents dans la technologie des matériaux supraconducteurs (essentiellement à base de niobium) y contribuent grandement.
• Accélérateurs linéaires supraconducteurs. Si, actuellement, il n’existe pas encore de démonstration effective de ce système, un accélérateur à électrons de 2 GeV est cependant en construction à Stanford. Les accélérateurs linéaires supraconducteurs pré-