PLAN Introduction Accélérateurs linéaires Cyclotrons Bêtatrons Synchrotrons

Un accélérateur de particules est un instrument qui utilise des champs électriques ou magnétiques pour amener des particules chargées électriquement à des vitesses élevées. En d'autres termes, il communique de l'énergie aux particules. On en distingue deux grandes catégories : les accélérateurs linéaires et les accélérateurs circulaires. On distingue ainsi types d'accélérateurs circulaires : les cyclotrons, bêtatrons et les synchrotrons.

Les accélérateurs linéaires (également appelés linacs), les cyclotrons, les bêtatrons et les synchrotrons sont parmi les outils les plus complexes et les plus coûteux jamais construits. En général, leur but est d'accélérer les particules chargées, généralement des électrons, des protons et des isotopes, ainsi que des particules subatomiques, à des vitesses incroyablement élevées. Les particules sont utilisées pour traiter des tumeurs ou des cancers chez les patients.

Comme leur nom l'indique, les linacs accélèrent les particules en ligne droite. Les particules, qui sont généralement des électrons, des protons et des ions, voyagent dans une chambre à vide en forme de tuyau. Les électrodes à l'intérieur du tuyau sont espacées de sorte qu'une fréquence radio de commande peut être chronométrée pour les exciter lorsque des particules se trouvent dans l'espace entre les électrodes, et ainsi les accélérer lorsqu'elles se déplacent d'un espace à un autre. Pour les linacs haute puissance, chaque électrode possède sa propre source RF.

Le premier linac a été construit en 1928 et peut être aussi petit qu'un tube à rayons cathodiques (une forme de linac) ou aussi grand que l'accélérateur linéaire de Stanford (SLAC), qui mesurait 2 miles de long et pouvait accélérer les électrons à une vitesse à laquelle ils ont l'énergie cinétique de 50 milliards eV.

Contrairement aux linacs, les cyclotrons accélèrent les particules le long d'un chemin en spirale vers l'extérieur et sont maintenus dans ce chemin par un champ électromagnétique statique perpendiculaire au chemin en spirale. Les particules chargées sont injectées dans le centre du cyclotron dans une chambre à vide entre deux électrodes métalliques creuses en forme de D (appelées "dees"). Une tension RF alternative de plusieurs milliers de volts est appliquée à un dees puis à l'autre. La synchronisation de la tension RF est commutée entre les phases, accélérant les particules et augmentant le diamètre de leur trajectoire circulaire à chaque révolution, en le transformant en une spirale.

Lorsque les particules atteignent le bord des dées, elles les laissent à travers un petit espace et sont guidées vers une cible. Frapper la cible peut créer des réactions nucléaires, et les particules de cette réaction peuvent être guidées dans divers instruments pour l'analyse. Il y a cyclotrons dans le monde qui sont utilisés pour créer des radionucléides à des fins médicales. Les faisceaux de cyclotron sont également utilisés pour pénétrer le corps des patients afin de tuer les tumeurs avec un minimum de dommages pour la personne. Les faisceaux sont également utilisés en imagerie TEP.

Pendant plusieurs décennies, après la construction des premiers en 1934, les cyclotrons étaient la meilleure source de faisceaux de particules à haute énergie utiles en physique nucléaire. Ils ont été inventés par Ernest Lawrence, qui a reçu un prix Nobel de physique pour son travail. Le plus grand cyclotron jamais construit était un 184-in. version diamètre a concouru en 1946 à UC Berkeley; il a accéléré les protons à 730 MeV.

La tâche d'accélération du faisceau est assurée par des cavités radiofréquences espacées autour de la boucle. Lorsque les particules de charge entrent dans la cavité, la force et la direction du champ électromagnétique qui en résulte les accélèrent le long de la boucle. Un inconvénient des synchrotrons est qu'ils ne peuvent pas accélérer les protons des autres particules à l'arrêt; ils doivent déjà être en mouvement, une tâche gérée par un autre accélérateur.

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