Accélérateur de particules

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Accélérateur linéaire de Van de Graaf d'une seule étape de 2 MeV.

Les accélérateurs de particules sont des instruments qui utilisent champs électromagnétiques pour accélérer les particules chargées eléctricamente jusqu'à obtenir vitesses (et par autant d'énergies) très grandes, en pouvant être proches à la de la lumière. En plus, ces instruments sont capables de contenir ces particules. Un accélérateur peut être depuis un tuyau de rayons catódicos ordinaire, de ceux qui font partie des téléviseurs domestiques communs ou des moniteurest des ordinateurest, jusqu'à des grands instruments que permettent explorar le monde de l'infiniment petit, en recherche des éléments fondamentaux de la matière.

Ils existent deux types basiques d'accélérateurs: d'une part les linéaires et par autrui les circulaires. Dans cet article ils se décriront les types les plus communs d'accélérateurs de particules.

Accélérateurs de basses énergies

Au contraire de la croyance populaire, les accélérateurs de particules ne sont pas des appareils exclusifs de laboratoires sofisticados, mais qu'aussi se trouvent très des présents dans la vie quotidienne des personnes, en forme d'accélérateurs de basses énergies. Exemples très simples de ces accélérateurs, de électrons principalement, sont les téléviseuril est ou moniteurs d'ordinateur (les modèles anciens qui utilisent tuyaux de rayons catódicos, lesquels peuvent s'envisager accélérateurs linéaires d'une seule étape) ou les appareils de rayons X que peuvent se trouver dans les cliniques dentaires ou dans les hôpitalest. Ces accélérateurs de basses énergies utilisent une unique paire de electrodos à ceux que se leur applique une différence de potentielle, directement, de quelques milliers de voltios. Dans un appareil de rayons X s'échauffe un filamento métallique que se trouve entre les deux electrodos moyennant le pas d'un courant électrique, en émettant de cette manière électrons. Ces électrons sont accélérés dans le champ électrique généré entre les deux electrodos jusqu'à obtenir l'electrodo que s'utilise comme producteur de rayons X, fabriqué avec un métal de grand Z (par exemple le tungsteno). ils aussi s'utilisent des accélérateurs de particules de basses énergies, appelés implantadores d'iones, pour la fabrication de circuits intégrés.

Accélérateurs de grandes énergies

[[j'Archive:Particle_accelerator_DSC09089.JPG|thumb|left|200px|Lineas Du fais de particules que portent depuis l'accélérateur de Van de Graaf à diverse expériences, dans la base du Campus Jussieu de [[Paris[["

Accélérateurs linéaires

Accélérateur linéaire de particules en le Argonne National Laboratory.

Les accélérateurs linéaires (beaucoup de fois il s'use l'acrónimo en anglais linac) de grandes énergies utilisent un ensemble de plaques ou tuyaux situés en ligne à ceux que il se leur applique un champ électrique alterne. Lorsque les particules s'approchent à une plaque ils s'accélèrent vers elle à l'appliquer une polaridad opposée à la à elle. Juste lorsqu'ils la traversent, à travers un trou pratiqué dans la plaque, la polaridad s'investit, de sorte que dans ce moment la plaque repele la particule, en l'accélérant par tellement vers la suivante plaque. Généralement il ne s'accélère pas une seule particule, mais un continu de fais de particules, de sorte que s'applique à chaque plaque un potentiel alterne soigneusement contrôlé de sorte que se répète de forme continue le procès pour chaque fais.

Dans les accélérateurs de particules plus anciens s'usait un Générateur de Cockcroft-Walton pour la multiplication du voltage. Cette pièce de l'accélérateur a aidé au développement de la bombe atomique. Bâti en 1937 par Philips de Eindhoven, se trouve actuellement dans le musée de sciences naturelles de Londres (l'Angleterre).

À mesure que les faggotas se rapprochent à la vitesse de la lumière, la vitesse d'investissement des champs électriques se fait tellement grande qu'ils doivent opérer à des fréquences de micro-ondes, et c'est pourquoi, en très de grandes énergies, s'utilisent cavités resonantes de fréquences de radio au lieu de de les plaques.

Les types d'accélérateurs de courant continu capables d'accélérer aux particules jusqu'à des vitesses suffisamment grandes comme pour causer réactions nucléaires sont les générateurs Cockcroft-Walton ou les multiplicadores de potentiel, que convertissent un courant alterne à continue de grand voltage, ou bien générateurs Van de Graaf qu'utilisent électricité estática véhiculée moyennant des rubans.

Ces accélérateurs s'usent en beaucoup d'occasions comme première étape avant d'introduire les particules dans les accélérateurs circulaires. L'accélérateur linéaire plus long du monde est le colisionador électron-positrón Stanford Linear Accelerator (SLAC), de 3 km de longueur.

Ces accélérateurs sont ceux qui ils s'usent en radioterapia et radiocirugía. Ces accélérateurs utilisent des soupapes klistrón et une déterminée configuration de champs magnétiques, en produisant fais d'électrons d'une énergie de 6 à 30 millions de electronvoltios (MeV). Dans certaines techniciennes s'utilisent directement ces électrons, alors qu'en autrui se leur fait heurter contre un blanc de nombre atomique grand pour produire tu fais de rayons X. La sécurité et fiabilité de ces appareils est en train de faire reculer aux anciennes unités de cobaltoterapia.

Deux applications technologiques d'importance dans lesquelles s'usent ce type d'accélérateurs sont la espalación pour la génération de neutrones applicables aux amplificadores de puissance pour la transmutación des isótopos radiactivos plus dangereux générés en la fisión.

Accélérateurs circulaires

Ces types d'accélérateurs possèdent un avantage ajouté aux accélérateurs linéaires à l'user des champs magnétiques en combinaison avec les électriques, en pouvant réussir des accélérations majeures en des espaces plus réduits. En plus les particules peuvent demeurer confinadas en des déterminées configurations théoriquement de forme indéfinie.

ils pourtant possèdent une limite à l'énergie que peut s'obtenir en raison de la radiation sincrotrón qu'émettent les particules chargées en étant accélérées. L'émission de cette radiation suppose une perte d'énergie, qu'est majeure combien plus grande est l'accélération impartida à la particule. À l'obliger à la particule à décrire une trajectoire circuler réellement ce que il se fait il est accélérer la particule, puisque la vitesse change son sens, et il de cette manière est inévitable que perde énergie jusqu'à égaler celle qui se lui distribue, en obtenant une vitesse maximale.

Quelques accélérateurs possèdent des installations spéciales qu'ils profitent de cette radiation, parfois appelée lumière sincrotrón. Cette radiation s'utilise comme des sources de Rayons X de grande énergie, principalement en des études de matériels ou de protéines par espectroscopia de rayons X ou par absorption de rayons X par la structure fine (ou espectrometría XAS).

Cette radiation est majeure lorsque les particules sont plus légères, par ce que ils s'utilisent des particules très légères (principalement électrons) lorsque se prétendent générer des grandes quantités de cette radiation, mais ils généralement s'accélèrent des particules lourdes, protones ou noyaus ionizados plus lourds, que font que ces accélérateurs puissent obtenir des majeures énergies. Celui-ci est le cas du grand accélérateur circuler du CERN, où le LEP, colisionador d'électrons et positrones, s'est substitué par le LHC, colisionador de hadrones.

Les accélérateurs de particules plus grands et puissants, comme le RHIC, le LHC (est programmée sa mise en oeuvre dans le jour 10 septembre de 2008) ou le Tevatrón s'utilisent en des expériences de physicienne de particules.

Ciclotrón

Le premier ciclotrón a été développé par Ernest Orlando Lawrence en 1929 dans la Université de Californie. En ils les particules s'injectent dans le centre de deux paires de aimants en forme de "D". Chaque paire forme un dipolo magnétique et puis se leur charge de sorte qu'il existe une différence de potentielle alterne entre chaque paire d'aimants. Cette combinaison provoque l'accélération, circuler lorsque la particule se trouve dedans d'un des paires, et linéaire lorsqu'est entre les deux paires.

Ces accélérateurs ont une limite de vitesse bas en comparaison avec les sincrotrones en raison des effets expliqués antérieurement. Quand même les vitesses qui s'obtiennent sont très grandes, appelée relativistas par être proches à la vitesse de la lumière. Par ce motif ils s'ont l'habitude d'utiliser des unités de énergie (electronvoltios et ses submúltiplos habituellement) au lieu de de les unités de vitesse. Par exemple, pour protones, la limite se trouve dans quelques 10 MeV. Par ce motif les ciclotrones seulement se peuvent user en des applications de basses énergies. Ils existent quelques améliorations techniques comme le sincrociclotrón ou le ciclotrón síncrono, mais le problème ne disparaît pas. Quelques machines utilisent diverse phases couplées pour utiliser majeures fréquences (par exemple le rodotrón^[1]).

Ces accélérateurs s'utilisent par exemple pour la production de radioisótopos d'usage médical (comme par exemple la production de ¹⁸F pour son usage en les PET), pour la stérilisation d'instrumental médecin ou de quelques nourritures, pour quelques traitements oncologiques et dans la recherche. ils aussi s'usent pour des analyses chimiques, en faisant partie des appelés espectrómetros de masses.

Pour obtenir énergies supérieures, de l'ordre des GeV et supérieurs, est nécessaire utiliser sincrotrones.

Sincrotrón

[[Archive:Fermilab.jpg|thumb|200 px|right|Image aérienne du Fermilab (Chicago), un des accélérateurs les plus grands du monde.]]

Tunnel de l'ancien LEP du CERN où se trouve dans ce moment le LHC, le majeur colisionador d'hadrones du monde.

Un des premiers sincrotrones, qu'accélérait protones, est allé le Bevatron bâti dans le Laboratoire national Brookhaven (New York), qu'a commencé à opérer en 1952, en obtenant une énergie de 3 GeV.

Le sincrotrón présente quelques avantages quant aux accélérateurs linéaires et les ciclotrones. Principalement qu'ils sont capables de réussir majeures énergies dans les particules accélérées. ils pourtant précisent des configurations de champs électromagnétiques beaucoup plus complexes, en passant des simples dipolos électriques et magnétiques qui usent le reste d'accélérateurs à des configurations de cuadrupolos, sextupolos, octupolos et majeurs.

Ces accélérateurs portent associé l'usage de majeures capacités technologiques et industriels, tels comme et entre autres beaucoup de:

• le développement de superconductorest, capables de créer les champs électromagnétiques nécessaires, sans le besoin d'élever la consommation électrique jusqu'à des cotes impensables,
• systèmes de vide, que permettent maintenir les particules dans le conduit où ils se maintiennent les particules, sans des pertes du fais inadmissibles,
• superordenadorest, capables de calculer les trajectoires des particules dans les diverses configurations simulées et, postérieurement, assimiler les énormes quantités de données générées dans les analyses scientifiques des grands accélérateurs comme le LHC.

De même que dans autres zones de la technologie de pointe, existent des multiples développements qu'ils s'ont réalisés pour son application dans ces accélérateurs qu'ils font partie de la vie quotidienne des personnes. Peut-être le plus connu a été le développement de la World Wide Web (comúnmente appelé web), développé pour son application en le LEP.

L'unique forme d'élever l'énergie des particules avec ces accélérateurs est accroître sa taille. il généralement se prend comme référence la longueur du périmètre de la circunferencia (réellement ne forment pas une circunferencia parfaite, mais un polygone le plus approché possible à cette). Par exemple nous aurions le LEP avec 26.6 km, capable d'obtenir les 45 GeV (91 GeV pour une collision de deux fais en des sens opposés), actuellement reconvertido en le LHC duquel se prévoient des énergies supérieures aux 7 TeV.

Accélérateurs de majeures énergies

Existent divers projets pour surpasser les énergies qui obtiennent les nouveaux accélérateurs. Ces accélérateurs il s'attend qu'ils servent pour confirmer théories comme la Théorie de la grande unification et même pour la création de trous noirs que confirmeraient la théorie de supercuerdas.

Pour 2015-2020 il s'attend qu'il se bâtisse le Colisionador linéaire international,^[2] un énorme linac de 40 km de longueur, initialement de 500 GeV que s'élargiraient jusqu'à 1 TeV. Cet accélérateur utilisera un laser dirigé en un fotocátodo pour la génération d'électrons. En 2007 il ne s'était pas décidé même quelle nation il l'hébergerait.

Le Supercolisionador superconductor^[3] (SSC en anglais) était un projet d'un sincrotrón de 87 km de longueur en Texas qu'obtiendrait les 20 TeV. Il s'a avorté le projet en 1993.

Il se croit que l'accélération d'écrans à plasma moyennant laserest ils réussiront un accroissement spectaculaire dans les efficacités que s'obtiennent.^[4] Ces techniciennes ont déjà obtenu des accélérations de 200 GeV par mètre, si bien en des distances de quelques centimètres, en comparaison avec les 0.1 GeV par mètre que se réussissent avec les radiofrecuencias.

Blancs et détecteurs

Une version simple de conjoint accélérateur-blanc-détecteur serait l'appareil de télévision. Dans ce cas le tuyau de rayons catódicos est l'accélérateur, qu'il stimule les électrons vers l'écran revestida de fósforo intérieurement qu'agirait de blanc, en transformant les électrons en photons (avec énergie dans le rang du visible) que, si nous fussions en train de regarder la télévision, impactarían dans les cônes et bastoncillos de nos rétines (détecteurs), en envoyant signaux électriques à notre cerveau (le supercomputador) qu'interprète les résultats.

Pour créer et pouvoir voir les particules générées dans les grands accélérateurs se précisent d'une part blancs, où les particules impactan, en générant une énorme quantité de particules secondaires, et d'autre part détecteurs qui agiraient comme les yeux des scientifiques.

Les blancs se peuvent distinguer entre fixes ou mobiles. En les fixes s'englobent tous ceux-là des appareils de rayons X ou les utilisés en l'espalación, sur lesquels impactan les particules accélérées. Dans les mobiles se trouvent les propres particules qu'impactan entre elles, par exemple en les colisionadores, en doublant de cette manière de forme simple l'énergie qu'ils peuvent il obtenir les accélérateurs.

Un des détecteurs les plus impressionants bâtis pour détecter les particules créées en les est la ATLAS, bâti en le LHC.

Fondements physiques

Génération de particules

Les particules chargées (les uniques que peuvent accélérer les champs électromagnétiques présents dans les accélérateurs) se génèrent de diverses formes. La forme la plus simple est utiliser le propre mouvement qu'il se génère à l'échauffer un matériel. Ceci se fait habituellement en échauffant un filamento jusqu'à son incandescencia en faisant passer par il un courant électrique, bien que aussi se peut faire en dirigeant un laser en il. À l'augmenter la température il aussi augmente la probabilité de que un électron de la couche atomique l'abandonne momentáneamente. Sinon il existe un champ électromagnétique près qu'il l'accélère en direction contraire cet électron (chargé négativement) rentrerait au peu de temps à l'átomo ionizado (positivement) au s'attirer les charges opposées. Pourtant, si nous plaçons près le filamento une deuxième plaque, en créant une différence de potentielle entre le filamento et elle, réussirons accélérer l'électron.

Si dans cette plaque nous effectuons un petit trou, et après il un conduit à celui que se lui soit extrait l'air, nous réussirons extraire des électrons. Pourtant, sinon il existe ce trou l'électron impactará contre la plaque en générant rayons X.

Lorsqu'ils se prétendent générer protones, pourtant, est nécessaire ionizar átomos d'hidrógeno (composés uniquement par 1 protón et 1 électron). Pour cela peut s'utiliser comme première phase le simple accélérateur d'électrons décrit en faisant influer le fais d'électrons ou de rayons X sur une soupape il remplit de gaz hidrógeno. Si dans cette soupape nous situons de nouveau une paire de plaques sur lesquelles nous appliquons un potentiel ils s'obtiendront d'une part des électrons accélérés et par l'opposé, protones accélérés. Un exemple de ce type d'accélérateurs est le LANSCE dans le Laboratoire National Les Peupliers (les États-Unis).

Les positrones se génèrent de forme similaire, seulement que nous préciserons faire influer photons d'énergies supérieures aux 1.1 MeV sur un blanc (de or, tungsteno ou n'importe quel autre matériel lourd). Cette énergie est la minime nécessaire pour créer un pair électron-positrón. L'efficacité de cette génération est très petite, avec ce que en les colisionadores électron-positrón se dépense grande part de l'énergie consommée dans ce procès.

il actuellement existe aussi intérêt en générer neutrones pour les utiliser en des machines transmutadoras. Pour cela ils s'utilisent protones générés comme s'est décrit, qu'impactan sur blancs dont la section efficace ou probabilité de génération de neutrones soit grande. Au ne pouvoir accélérer plus les neutrones (comme s'a dit, seulement les particules chargées peuvent s'accélérer), sa vitesse (ou énergie) finale dépendra exclusivement de l'énergie initiale du protón.

Pratiquement toutes les particules décrites s'utilisent pour des traitements médicaux, il déjà soit en diagnostic (rayons X, TAC, PET), comme dans le traitement de tumores solides (l'usage de protones et neutrones s'est en généralisant de plus en plus pour le traitement de tumores de difficile traitement).

Équations de Lorentz

Représentation graphique de la force de Lorentz (seulement la part due au champ magnétique, représenté avec direction perpendicular à l'écran et sens vers en dehors de la même)

Tous les accélérateurs se régissent par les équations basiques du electromagnetismo développées par Maxwell. Pourtant, il existe une équation très simple qu'il sert pour définir les forces qui agissent dans chaque type d'accélérateur. Celle-ci est l'équation ou équations (lorsque se usent de forme séparée) de Lorentz. L'équation peut s'écrire de forme basique comme:

Où est la force qu'il souffre la particule chargée dedans du champ électromagnétique, q est la charge de la particule chargée (-1 pour l'électron, +1 pour le positrón ou le protón, et majeurs pour noyaus lourds), est la valeur du champ électrique, le champ magnétique et la vitesse de la particule.

L'équation se traduit en que la particule reçoit une accélération qu'il est proportionnelle à sa charge et inversement proportionnelle à sa masse. En plus, les champs électriques poussent à la particule dans la direction du mouvement (le sens dépendra du signe de la charge et du sens du propre champ électrique), alors que les champs magnétiques curvan la trajectoire de la particule (seulement lorsque le champ magnétique est perpendicular à la trajectoire), en la poussant vers le centre d'une circunferencia dont la radio dépendra de la grandeur du champ magnétique, de la vitesse que possède la particule dans ce moment et de sa charge et masse.

, les champs électriques apportent des changements dans le module de la vitesse de la particule, en l'accélérant ou desacelerándola, alors que les champs magnétiques la font décrire des trajectoires courbes sans modifier son module (ceci il n'est pas exactement ainsi, puisque les particules perdront énergie par la radiation sincrotrón, mais sert comme première approximation).

Composants d'un accélérateur

Les accélérateurs possèdent quelques cuantos composants basiques que sont:

Vide

Conduit du fais de particules

Composants générateurs de forces

• Dipolos électriques. Il s'applique une différence de potentielle, en générant un champ électrique entre deux plaques ou des tuyaux. Ceci fait que la particule s'accélère, comme entre deux phases d'un linac.
• Dipolos magnétiques. Il se crée un champ magnétique (généralement de forme artificielle moyennant bobinas) perpendicular à la trajectoire de la particule de sorte que la courbe. Par exemple entre les D d'un ciclotrón, en la faisant décrire un arc de 180 degrés pour revenir à l'écart entre toutes les deux. Aussi pour curvar légèrement (arcs petits) le fais de particules en un sincrotrón.
• MultipoloS magnétiques. Ils s'utilisent pour diriger tu les fais de particules, de sorte que les champs exercez ses actions de forme plus performante et ils s'évitent des pertes dans le trajet.

Conducteurs générateurs des champs électromagnétiques

Systèmes de réfrigération

Blancs

Détecteurs

Projets de recherche plus importantes

Voyez-vous aussi

• Accélérateur de particules circulaire
• Colisionador
• Accélérateur de particules médical
• Accélérateur linéaire
• Betatrón
• Bevatron
• CERN
• GSI
• Ciclotrón
• LEP
• LHC
• Sincrociclotrón
• Sincrotrón
• Prête d'accélérateurs en physicienne de particules

Références

Tu raccordes externes

• Construction amateur d'accélérateurs (en anglais)
• RTFTechnologies.org Construction amateur d'un accélérateur de particules electrostático (en anglais)
• Sont utile les accélérateurs de particules?donne:Partikelacceleratorle:Επιταχυντής σωματιδίωνj'ai:מאיץ חלקיקיםallez:Pemercepat partikelj'ai vu:Máy gia tốc hạt