En partikkelakselerator er et instrument som bruker elektriske felt eller magnetisk for å mate partikler elektrisk ladet i høye hastigheter . Med andre ord kommuniserer den energi til partiklene. Det er to hovedkategorier: lineære akseleratorer og sirkulære akseleratorer.
I 2004 var det over 15 000 akseleratorer i verden. Bare om lag hundre er veldig store installasjoner, nasjonale eller overnasjonale. Elektrostatiske maskiner av industriell art utgjør mer enn 80% av den globale flåten av industrielle elektronakseleratorer. Svært mange små lineære akseleratorer brukes i medisin ( anti-tumor strålebehandling ).
I 1919 transformerte fysiker Ernest Rutherford (1871-1938) nitrogenatomer til isotoper av oksygenatomer ved å bombardere dem med alfapartikler generert av en naturlig forekommende radioaktiv isotop. Men studiet av atomet og spesielt kjernen av det krever veldig høye energier. Partiklene som kommer fra naturlige radioelementer er for få og ikke veldig energiske til å trenge inn i den potensielle barrieren til kjernen til de tyngste elementene. Potensialet ved atomoverflaten øker fra en million volt for vanlig hydrogen til 16 millioner for uran. The Astro (kosmisk stråling) mulig store funn, men deres energi er svært variabel og må plukke dem opp i høyden hvor de er mindre sjeldne og mer energi. På 1920-tallet ble det tydelig at en mer grundig studie av materiens struktur ville kreve mer energiske og mer kontrollerte partikler. Kilden til de ladede partiklene var variert. Utslipp i gasser produserer ioner, mens det for elektroner var mulig å bruke utslipp fra en oppvarmet ledning eller andre systemer. Energien (E) til en partikkel i et elektrisk felt tilsvarer produktet av ladningen (q) multiplisert med feltets spenning (U): E = qU. En første mulig løsning var i det vesentlige å akselerere partiklene i en vakuumrør utsatt for veldig høy spenning. Million volt løpet hadde begynt. Flere systemer ble foreslått.
I England brukte John Cockcroft og Ernest Walton , som i 1932 oppnådde det første vellykkede forfallet av kjernen ved elektrisk akselererte partikler, en spenningsmultiplikator ved hjelp av en komplisert samling av likerettere og kondensatorer (Greinacher-forsamlingen, 1919). En av de beste ideene ble utviklet av Robert Van de Graaff , som valgte å utvikle en maskin fra den gamle elektrostatikken. Endelig valgte de andre (som Ernest Orlando Lawrence med syklotronen ) en helt annen vei: å gi opp plutselig å skaffe 10 eller 20 MeV som er nødvendige for å trenge gjennom alle kjernene, tenkte Ernest Lawrence å nå disse energiene ved å veksle elektriske impulser. Periodiske pulser forutsetter opprettholdelsen av en viss synkronisme med den akselererte partikkelen, som naturlig beskriver en rett linje i veldig høy hastighet. Ved å bruke en kraftig elektromagnet der partiklene er begrenset av selve magnetfeltet, løste Ernest Lawrence begge problemene samtidig.
Hovedkomponentene som trengs for å akselerere partikler er elektriske og magnetiske felt og et godt vakuum ; elektriske og magnetiske felt brukes til å akselerere og lede partiklene, og høyt vakuum sørger for at de akselererte partiklene ikke blir bremset som følge av kollisjon med andre partikler i det sylindriske røret der strålen beveger seg.
Klassifiseringen av partikkelakseleratorer kan følge historien til teknologiene som brukes: for eksempel elektrostatisk akselerator, "tandem" -maskiner, mikrobølgeovn lineære akseleratorer, syklotroner (inkludert isokron syklotron og betatron), synkrotroner (inkludert synkrocyclotron, proton og elektron-synkrotroner ), kollisjonsringer (elektron-positronringer, protonkollisjonsringer). Hver maskin kan knyttes til de historiske oppdagelsene de har gjort mulig.
Akseleratorer kan klassifiseres i henhold til energi:
Andre klassifiseringer er mulige avhengig av akseleratorens anvendelser: industri, medisin, grunnleggende forskning, utforskning og forståelse av de elementære komponentene i materie, energi og rom og tid.
Disse meget store maskiner XX th og XXI th tallet kan klassifiseres i henhold til geometrien av banen akselerasjon: lineært eller sirkulært. Den grunnleggende karakteren til mange moderne akseleratorer er tilstedeværelsen av et magnetfelt som vikler banene i form av sirkler eller spiraler. Vi kan kalle dem ”rundskriv”. Andre akselererer i en rett linje, de kalles "rettlinjet eller lineært".
Stanley Livingston, en partikkelakseleratorfysiker, etablerte dette diagrammet på 1960-tallet. Det viser den eksponensielle veksten av energien til akselererte bjelker.
Dette klassiske diagrammet er modifisert : den horisontale aksen er utvidet til årene 2010. Den vertikale aksen er utvidet til 100.000 TeV . For å sammenligne de forskjellige akseleratorene ble energien til kolliderne, som uttrykkes i massesenteret, beregnet på nytt som om energien til de observerte partiklene var resultatet av en kollisjon med et proton i ro. Kostnaden per eV av strålenergi reduseres med en faktor 1000 per 7-årsperiode.
Tidligere fikk vi en faktor 10 hvert 7. - 8. år i energien til kollisjoner som ble gjort. Hvis evolusjonen hadde blitt opprettholdt, ville 60 TeV vært nådd innen 2005. Large Hadron Collider (LHC) ( 7 TeV + 7 TeV , CERN , 2008) følger derfor ikke ekstrapolasjonen. Det er derfor en klar nedgang i ytelse som kanskje indikerer et første tegn på tretthet i disiplinen.
Akseleratorer har applikasjoner så varierte som:
I grunnleggende fysikk brukes de til å akselerere stråler av ladede partikler (elektroner, positroner, protoner, antiprotoner, ioner, etc.) for å få dem til å kollidere og studere de elementære partiklene som genereres under denne kollisjonen. Den energien til partiklene og dermed akselerert måles i elektronvolt (eV) men enhetene er ofte den million ( 1 MeV = 10 6 eV ), idet milliarder elektronvolt ( 1 GeV = 10 9 eV ). Høgenergifysikk (eller subnukleær eller elementær partikkelfysikk) er definert nøyaktig fra GeV og utover.
Felt | Metoder | Ønskede mål |
---|---|---|
Fysikkforskning | Energistråler av partikler | Utforskning av materie (se følgende tabell) |
Medisin | Radioisotopproduksjon | Bildebehandling, scintigrafi, sporstoffer |
Medisin | Bestråling: røntgen, gamma, protoner, elektroner, tunge ioner | Anti-tumor strålebehandling |
Elektronisk | Elektronstråler | Gravering av integrerte kretser |
Matsikkerhet | Matbestråling | Sterilisering |
Arkeologi | Akselerator massespektrometri | Dating |
Undersøkelser | Metoder | Akseleratorer |
---|---|---|
Partikkelfysikk | Kollisjoner | Synchrotrons, proton eller elektron kollidere |
Kjernefysikk | Kjerne-til-kjerne-kollisjoner | Tunge ioneakseleratorer: synchrotron, cyclotron, Tandem, Linac |
Atomfysikk | Atomiske kollisjoner | Tunge ioneakseleratorer: synchrotron, cyclotron, Tandem, Linac |
Kondensert materiale og overflatenes fysikk (materialets struktur, magnetiske, kjemiske og elektroniske egenskaper) | Diffraksjon, avbildning, absorpsjonsspektroskopi, magnetisk sirkulær dikroisme, fotoemisjonsspektroskopi, | Synkrotronstråling (IR, UV, myk X, hard X) |
Kondensert materiale (struktur og magnetiske egenskaper) | Nøytronspredning | Proton linac |
Biologi, kjemi | Krystallografi av proteiner, virus, aktivering, kjemisk og biokjemisk kinetikk | Synkrotronstråling, fri elektronlaser |
Materialfysikk | Aktiviseringsanalyse, massespektrometri | Van de Graaff Tandem |
Studiet og utformingen av partikkelakseleratorer er en ekstremt rik disiplin fordi ved sammenløpet av mange fysikk og avanserte teknologier:
I tillegg til sin egen fysikk tillater det forbløffende utvalget av akseleratorapplikasjoner fysikerne å jobbe sammen med mange forskergrupper (se forrige avsnitt)
Disiplinen, gjennom de gigantiske prosjektene den genererer, har en internasjonal dimensjon. Det er representert og drives i Frankrike av en divisjon ved det franske fysiske samfunnet og i Europa av en gruppe ved det europeiske fysiske samfunnet. Disse enhetene, i samarbeid med andre utenlandske lærde samfunn (USA, Russland, Japan, Kina osv.), Arrangerer mange konferanser og workshops.
I Frankrike blir fysikk og teknologi til akseleratorer undervist, fra masternivå 2, av noen få universiteter eller europeiske organisasjoner.
Alle partikkelakseleratorer består av flere suksessive underenheter, som oppfyller forskjellige funksjoner, fra kilde til mål og i høyt vakuum: Produksjon og emisjon av ladede partikler (for eksempel takket være en katode): ioner (proton) eller elektroner generelt , antipartikler som antiproton og positron, injeksjon i det tomme sylindriske luftrøret der partiklene vil bli akselerert.
Riktig akselerasjon (muligens ved flere påfølgende seksjoner), ved hjelp av forskjellige tekniske prosesser: direkte eller vekslende høyfrekvente elektriske felt, styring av strålen langs gasspedalen ved hjelp av elektrostatiske eller magnetiske deflektorer, fokusering av strålen for å forhindre dens divergens (elektrostatiske eller magnetiske linser ).
Til slutt, klargjøring av partikkelstrålen for bruk:
Deflektorer som beveger strålen i ønsket retning, kollimasjonssystem (også for medisinske applikasjoner), partikkeldetektorer, mål (tykt eller tynt), metall beregnet på å produsere røntgenstråler med høy energi (spesielt for medisinske applikasjoner). Målet kan være en annen stråle og forbindelse til en annen akselerator (forskning i partikkelfysikk).
Det er flere akselerasjonsteknikker, for eksempel:
elektrostatiske akseleratorer: En høy statisk spenning påføres mellom to elektroder og produserer dermed et statisk elektrisk felt:
Spenningsmultiplikatorer (kaskadekombinasjon av kondensatorer og likerettere) av Greinacher- eller Cockcroft- og Walton-typen gjør det mulig å oppnå høye spenninger som har egenskapene til riktig elektrostatiske maskiner (Singletron, Tandetron fra HVEE). Energien som er oppnådd av partiklene er lik, i elektronvolter, til produktet av deres antall ladninger ved potensiell forskjell mellom deres produksjonssted (kilde) og deres sted for ekstraksjon, elektronmikroskopet er det mest kjente av det elektrostatiske akseleratorer. Akselerasjonen under noen få hundre keV gir bølgelengder tilpasset dimensjonene til celler, virus, mikrokrystaller og større molekyler. Den mest typiske elektrostatiske generatoren er Van de Graaff-generatoren: potensialforskjellen er på noen få MeV (20 MeV for tandemakseleratorer som f.eks. som Vivitron, Laddertron eller Pelletron. For å øke energien ved konstant spenning kan vi bare øke den elektriske ladningen. Men kildene til fleretallede ioner er generelt komplekse, og det er ubeleilig å huse dem i en høyspenningselektrode. Tandem elektrostatisk akselerator (1958) gir en løsning på dette problemet. De negative ionene (ladning: -e) produsert av kilden akselereres til midten av røret (potensial + V). De passerer gjennom en elektronskiller (stripper), som passerer gjennom en liten mengde materiale (liten del av gass eller veldig tynt metall eller karbon). De således dannede positive ionene akselereres av spenningen V. Den endelige energien er da (n + 1) eV hvis n er antall ladninger for det endelige positive ionet. Både ionekilden og målet er bakken (eller bakken). For protoner (startende med en kilde for H-ioner) er den endelige energien dobbelt så mye som en vanlig maskin tillater (med en kilde til protoner). De tyngste ionene kan nå endelige energier på flere hundre MeV. Den største ulempen er større vanskeligheter med å produsere negative ioner (med et overskudd av elektroner) enn positive ioner (med en defekt på elektroner). I denne typen maskiner produseres høyspenning som følger:
ladninger avsettes på et isolasjonsbelte ved enden av akseleratorrøret, beltet drives av en motor (strømkilde), ladningene samles deretter opp i den andre enden av akseleratoren, de returnerer (strøm) til kilden gjennom en motstandsbro som produserer spenning, lineære radiofrekvensakseleratorer av typen Wideroë (1928) eller Alvarez (1947). Vanligvis kalt LINAC (elementer arrangert i en rett linje): partikkelenes bane er alltid rettlinjet, men det elektriske feltet har høy frekvens. De høyfrekvente alternative kildene som brukes er nesten alltid klystrons (mikrobølgeovnsforsterkerrør) hvis toppeffekt kan nå 60 MW. Partiklene akselereres av suksessive pulser som er passende synkronisert uten å måtte isolere potensielle forskjeller som tilsvarer den endelige energien. Strålen, som går gjennom en serie hulrom der et vekslende elektrisk felt hersker, vil kunne nå en energi på noen få hundre MeV. Det er fortsatt to typer, avhengig av om det er ioneakseleratorer (lave energier) eller elektroner (høy energi). Lineære akseleratorer er eldre enn sirkulære akseleratorer; de dukket opp i 1931 med Wideroë lineær akselerator, overtatt av Sloan og Lawrence i USA. I Frankrike ble det på begynnelsen av 1960-tallet bygget en lineær akselerator og dens Collision Ring (ACO) i Orsay en Essonne, hvis energi var av GeV-ordenen. Lineære akseleratorer gjorde det i utgangspunktet ikke mulig å produsere bjelker med like stor energi som sirkulære akseleratorer. På den annen side har de mange fordeler. Faktisk er geometrien “åpen”, det vil si at strålen kan sendes eller trekkes ut lett, og en høystrømstråle kan transporteres med dagens teknologi. De brukes ofte som stråleinjektorer i store strukturer (sirkulære kollider), og nå utviklet som deler av store lineære kollidere. For tiden er den største lineære akseleratoren i verden Stanford i USA.
Sirkulære akseleratorer holder energirekorden. Det er lett å se hvorfor. Den mottatte energien per meter bane, det vil si intensiteten til det akselererende elektriske feltet, er begrenset av fysiske og tekniske faktorer. Ved å "vikle" banen får vi ekvivalenten til en rettlinjet akselerator som ikke har kilometer, men tusenvis av kilometer i lengde.
Blant "sirkulærene" skiller vi først ut de som bruker et fast magnetfelt (og en massiv magnet) og der følgelig banene er spiraler: disse er cyklotronene (E. Lawrence, 1929) og synkrocyclotronen (designet på Berkeley. i 1946). Tvert imot, i synkrotroner (E. Mc Millan og V. Veksler), varierer magnetfeltet under akselerasjon, slik at det foregår på en uforanderlig sirkel og (ring) elektromagneten er, med lik energi, sterkt redusert. Synkrotroner er derfor av økonomiske årsaker akseleratorer som gjør det mulig å ha baner med veldig stor radius.
Det er altså to typer sirkulære akseleratorer: syklotroner og synkrotroner.
Banene til partiklene er spiraler, består av en enkelt krumningsmagnet hvis diameter kan nå flere meter. Historisk har syklotron muliggjort oppdagelsen av flere grunnleggende partikler. De kan akselerere ladede partikler, tunge ioner, men ikke elektroner. I Frankrike , den store nasjonale Heavy Ion Accelerator (GANIL) ligger i Caen består av to isokrone syklotron.
I motsetning til syklotronen påføres ikke magnetfeltet over hele den sirkulære overflaten, men bare rundt omkretsen. I denne typen akselerator beveger partiklene seg på samme nesten sirkulære bane inne i en serie bøyemagneter. Akselerasjonen oppnås med et resonanselt elektrisk felt. Vekselstrømmen påføres bare på gapet og ikke på hele partiklenes bane. Jo mer energien øker, jo mer må frekvensen av vekselstrømssignalet til intervallet øke for å holde akselerasjonen konstant. For å holde partiklene på samme vei øker magnetfeltet når energien til partiklene øker. Disse maskinene har gjort det mulig å oppdage mange elementære partikler. En av de første synkrotronene, Bevatron (Berkeley, 1954) ble brukt til å demonstrere eksistensen av antiproton. Synchrotrons har gitt eksperimentell bevis for grunnleggende elementer som kvarker . De brukes i nåværende kollidere. Det er de som akselererer elektroner (som LEP ) og de som akselererer protoner (som SPS ). I dag er en synkrotron (til og med en tredje generasjon) et veldig stort, vanlig, delt, tilgjengelig, pedagogisk og tverrfaglig instrument. Den lys synkrotron ( synkrotronstråling ) er den tiden av anmodning objekt å få tilgang til høy vekst i alle land i verden, spesielt i Frankrike.
Når en synkrotron spinner elektronstråler, er den mulige energien begrenset av strålingen som ligger i elektronens sirkulære bevegelse, noe som øker veldig raskt og sprer energien mottatt av partiklene. Denne elektromagnetiske strålingen er kjent som " Bremsstrahlung " i tilfelle et røntgenrør . I elektronakseleratorer forsyner akselererende resonanshulrom energi tapt av synchrotron (eller synchrotron) stråling.
Fra parasittisk fotonstråling (J. Blewett, 1947) har synkrotronlys blitt ønskelig . Vitenskapelige enheter (omformere, elektronlagringsringer) ble konstruert for å sette og bruke denne strålingen. Spektrumets intensitet ( synlig lys , ultrafiolett vakuum, røntgenstråler , gammastråler ) brukes i en fysisk operasjon, i kjemi, i mikrolitografi av integrerte kretser, i studien av levende materie.
Synchrotrons produserer magnetiske bølger av alle bølgelengder, brukt av et stort antall lysanalysemetoder. Disse maskinene består på den ene siden av en injektor og en lagringsring med en omkrets på hundre til flere hundre meter, der elektronene roterer 350.000 ganger per sekund med en hastighet nær den for lys., Og på den annen side , linjer av lys og perifere eksperimentelle stasjoner som bruker lyset som sendes ut av elektronene når de passerer gjennom krumningsmagneter eller magnetiske ledeplater ( wigglers og invertere) plassert på deres bane, lys kalt strålesynkrotron. Strålingen fra tredje generasjons synkrotroner er en billion ganger lysere enn stråler som sendes ut av laboratorieutstyr som røntgenrør.
De tre største synkrotronene som genererer synkrotronlys er SPring-8 ( 8 GeV ) i Hyogo, Japan, APS ( Advanced Photon Source , 7 GeV ), Argonne , USA, og European Synchrotron Radiation Facility , 6 GeV , i Grenoble, Frankrike.
Den SOLEIL synkrotron (Optimized Source of Light for Intermediate Energy av Lure) er den andre side av en tredje generasjons synkrotron i Frankrike, på Saclay platå, Essonne. Den består av to akseleratorer (en lineær akselerator og en sirkulær booster- akselerator ) og en lagringsring, en polygon med en omkrets på 354 m .
I desember 2018, tar European Synchrotron Radiation Facility en tyve måneders pause for å forbedre ytelsen. Sommeren 2020 blir det den første fjerde generasjons synkrotronen med røntgenstråler 10 billioner ganger lysere enn de fra røntgenmaskiner som brukes på sykehus.
De brukes til å holde og styrke partikkelbjelkene som skal injiseres i kollider-akseleratoren. Lagringsringene kan fungere som kollider når bjelkene som er lagret i separate baner bringes i samspill (ved kortslutning av den høye elektrostatiske separasjonsspenningen).
Dagens avanserte maskiner er kollidere.
For å undersøke den intime strukturen til bestanddelene i atomkjernen, må akseleratorer akselerere partikler over 1 GeV . Lovene til kvantemekanikk gjør det mulig å beskrive partikler både ved deres fysiske bane og ved deres bølgefunksjon. Hvis bølgelengden til probe-partikkelen er kort, kan materialet undersøkes i ekstremt liten skala. Kvantemekanikk relaterer denne bølgelengden til energien til de kolliderende partiklene: jo høyere energi, jo kortere bølgelengde. Det er en annen grunn til å bruke høye energier. De fleste av objektene som er interessante for elementære partikelfysikere i dag, eksisterer ikke fritt i naturen; de må lages kunstig i laboratoriet. Den berømte ligningen E = mc 2 styrer kollisjonsenergien E som kreves for å produsere en partikkel med masse m . Mange av de mest interessante partiklene er så tunge at det kreves kollisjonsenergier fra hundrevis av GeV for å skape dem. For å forstå og konsolidere de nåværende teoriene er det nødvendig å gå utover TeV (ved å bygge akseleratorer som tillater Terascale- fysikk ).
Det er fire kategorier kollidere:
I tillegg er det også tenkt elektron-mot-ion- kollisjoner .
Disse kollideringsakseleratorene ligner på synkrotroner i den forstand at partiklene også sirkulerer langs en sirkulær bane med uforanderlig radius. Forskjellen er at kollidere produserer kollisjoner direkte mellom to partikkelbjelker akselerert i motsatt retning og ikke lenger på et fast mål. Oppfinnelsen av kollidere gjør det mulig å overvinne fallet i effektivitet (knyttet til lovene om relativistisk mekanikk) til akseleratorer når energi øker. Støtet mellom et akselerert proton, for eksempel med et hvilende proton, genererer, i systemet for massesenteret , en energi som er mye lavere enn energien til prosjektilet. Andelen virkelig brukbar energi reduseres med energien til prosjektilene. Hvis vi kolliderer to partikler i motsatte retninger, hver med energi E , vil energien i midten av massen være lik 2E . Et slikt sjokk gjør det mulig å bruke all produsert energi, og ikke en brøkdel som i faste måleksperimenter med konvensjonelle akseleratorer. Ved CERN i Geneve , den Super Proton Synchrotron (SPS) oppnår energiene 450 GeV . Den fungerte som en injektor for Large Electron Positron (LEP) og tjener nå for Large Hadron Collider (LHC, 2008) som bruker omfattende ledningsevne .
Lineære elektron-elektron kollidere .
Den lineære kolliderelektronen - positron fra Stanford :
ILC ( International Linear Collider ) nærmer seg studie ( XXI th century). Plasseringen av konstruksjonen og teknologiene som er brukt er ennå ikke bestemt ( teknisk designrapport forventes bare for 2010). Med CERNs Large Hadron Collider , mellom 2015 og 2025, vil det gjøre det mulig å utforske materie utover vår nåværende kunnskap (og mulighetene for nåværende akseleratorer). Kollisjonens art ved ILC skulle gjøre det mulig å fullføre spørsmålene som ble reist av LHC-oppdagelsene (mørk materie, eksistens av supersymmetrier). To 20 kilometer lange LINAC-er vil møte hverandre. Elektron- og positronstrålene når hver 99,9999999998% av lysets hastighet. Hver stråle vil inneholde 10 milliarder elektroner eller positroner komprimert til en seksjon på tre nanometer. På møtepunktet for kollisjoner vil de akselererende superledende hulrommene operere ved en temperatur nær absolutt null. Bjelkene vil kollidere 2000 ganger i sekundet.
Laboratoriesystemet er det der eksperimentell oppsett er i ro.
Senteret for massesystemet er et der de to innledende partiklene har like og motsatte impulser.
Etter en elastisk kollisjon bevares de to innfallende partiklene, bare impulsene deres blir modifisert. I massesenteret er det bare partiklene som har endret seg.
Etter en uelastisk kollisjon opprettes andre partikler, i stedet for eller i tillegg til de innfallende partiklene. Noe av energien har blitt forvandlet til masse. Vektorsummen av pulser er bevart.
Sannsynligheten for en interaksjon under kollisjonen mellom to partikler kalles dens tverrsnitt (dimensjonen til en overflate L 2 ). Enheten er låve (b). 1 b = 10 −24 cm 2 . Sjeldne eller svært sjeldne prosesser uttrykkes i submultipler av fjøs: µb (mikrobarn), nb (nanobarn), pb (picobarn), fb (femtobarn).
Kvaliteten til en kollider ved å produsere kollisjoner kalles dens lysstyrke . Den måles i cm -2 .s -1 . Den høye lysstyrken til en kollider er like viktig som den høye energien for å finne sjeldne hendelser. For eksempel vil Large Hadron Collider ha en lysstyrke på 10 34 cm −2 s −1 i nominell modus.
Kommersiell produksjon av DC-akseleratorer begynte på slutten av 1930-tallet med Cockcroft-Walton-serien av maskiner bygget av Philips i Eindhoven. I Frankrike på slutten av andre verdenskrig begynte Noël Felici i Grenoble å bygge elektrostatiske sylindergeneratorer som kjørte på hydrogen. De sames bygget og markedsføres generatorer felici av en MV og 100 uA inntil avsatt av generatorene likerettet strøm. I Sveits utviklet Haefely spenningsmultiplikatorgeneratorer med trykk for å levere syklotroninjektorer. J. Van de Graaff og hans kolleger grunnla HVEC ( High Voltage Engineering Corporation ) i 1946 . Elektroniske og ioniske elektrostatiske akseleratorer med energier fra 0,4 til 5,5 MeV gikk i produksjon. Kravet var slik at et europeisk datterselskap startet produksjonen i Nederland under navnet HVEE ( High Voltage Engineering Europa ). Produksjonen av Tandem elektrostatiske akseleratorer startet i 1958. I Sovjetunionen startet produksjonen av belteakseleratorer i 1955 i Leningrad ( Efremov Electrophysical Research Institute ). Enkelte 5 MV elektrostatiske akseleratorer og en 6 MV vertikal tandem ble designet i Sovjetunionen og eksportert til Finland, Kina og andre steder. I 1958 bygget Radiation Dynamics Inc. Dynamitron-type spenningsmultiplikatorgeneratorer designet av Cleland for å drive elektron- og ioneakseleratorer. Ray Herb erstattet Van de Graaff-beltet med et kjedebelastningssystem alternerende nylon- og stålelementer: Pelletron-systemet. I 1964 grunnla han NEC (National Electrostatics Corporation) som bygde vertikale og horisontale akseleratorer for forskning og kjernefysikk. Vi skylder ham 25 MV Pelletron fra Oak Ridge (verdensrekord i denne klassen elektrostatiske akseleratorer). I 1978 begynte Purser, hos General Ionex Corporation , å produsere små tandemakseleratorer for forskning ved hjelp av systemet oppfunnet av Cleland. Under navnet Tandetron og Singletron er disse maskinene basert på DC-generatorer nå produsert av HVEE. I 1984 opprettet Letournel i Strasbourg VIVIRAD (i begynnelsen av produksjonen av VIVITRON).
Historien om byggere av syklotroner og synkrotroner gjenstår å bli skrevet. Stort utstyr har vært gjenstand for et samarbeid som inkluderer navnene på General Electric, Siemens, General Company of Radiology, Alsthom, Mitsubishi, Kraftanlagen, Argos.
I medisinske applikasjoner (strålebehandling) blir små lineære akseleratorer bygget av Varian Clinac (Varian - Lineære akseleratorer), Siemens , Elekta , OSI (Oncology Services International), IBA (Ion Beam Application) i Louvain-la-Neuve, Belgia.
LHCs 20 km elektromagneter er viklet med 7000 km superledende kabel. Denne kabelen har blitt produsert siden 2000 i fire fabrikker i Europa, en i Japan og en i USA. Totalt er fire selskaper involvert i denne produksjonen: Alstom , European Advanced Superconductors , Outokumpu og Furukawa .
En av de viktigste tekniske fremskrittene i årene 1970-1990 var mestring av superledere beregnet på magneter og akselererende hulrom. Enkelte metaller avkjølt til en temperatur nær absolutt null ( -273 ° C ) mister deretter all elektrisk motstand, noe som gjør at høye strømmer sirkulerer uten tap. Å lage superledende elektromagneter har vært en serie vanskeligheter knyttet til slukking (magnetfeltet kan endre superledningsevne og derfor det superledende metallet). Elektromagnetene må nå 4 til 5 tesla (40.000 til 50.000 gauss) for å kunne brukes i akseleratorer. Målet ble oppnådd med Tevatron takket være en ring med superledende magneter. Superledningsevne kan redusere strømforbruket til radiofrekvenshulrom, spesielt i elektron-positron kollidere, der energi forsvinner som varme nesten like mye som den blir gitt til partikler.
Superledningsevne brukes også til fremstilling av akselerasjoner med radiofrekvens, som gjør det mulig å lagre og forsterke det elektriske feltet som skal akselerere strålen til ladede partikler. For å kunne oppnå akselerasjonsfelt i størrelsesorden 45 MV / m (nesten 100 MV / m nær overflaten), må en radiofrekvensbølge injiseres i hulrommet. Strømmer i størrelsesorden 10 10 til 10 12 A / m 2 sirkulerer på den indre overflaten av hulrommet og får veggene til å varme seg opp. Vi kunne ikke oppnå så høye felt kontinuerlig med en normal leder: veggene begynte å smelte! I radiofrekvens er motstanden til en superleder ikke strengt null, men den forblir omtrent 100.000 ganger lavere enn kobber, derav hovedinteressen til denne teknologien for å akselerere hulrom. Men dette er ikke den eneste fordelen: bruken av superledende hulrom påvirker også utformingen av gasspedalen og kvaliteten på de oppnådde bjelkene; for eksempel muliggjør deres mer åpne former justering av bjelken; når dette må gjøres over flere titalls kilometer, blir det et betydelig argument.
På grunn av deres drift, og de høye energier som er involvert, akseleratorer generere radionuklider ( alfa , beta eller gamma -emittere eller lavenergi røntgen emittere , kalt vanskelige å måle radionuklider (DTM), ved vekselvirkning av partiklene med materiale og / eller med omkringliggende strukturer; de produserer derfor en viss mengde radioaktivt avfall , generelt veldig lavt nivå radioaktivt, noe som innebærer en passende håndteringsprosedyre.
Dette avfallet var dårlig karakterisert, men en fersk avhandling av B Zaffora i 2017 tillot en mer presis radiologisk karakterisering av mer enn 1000 m 3 av radioaktivt avfall fra CERN.
Geografiske nettsteder
USA : Brookhaven, Cornell, Stanford, Fermilab
Europa
Russland og Hviterussland
Kina: Beijing
Japan
Korea
Lagringsring og proton-proton kollider som skulle være i drift ved Brookhaven National Laboratory (BNL). Arbeidet begynte i 1978, men i 1981 viste de superledende magneter seg ikke å være så sterke som de burde vært. Det var forsinkelsen i utviklingen av disse superledende magneter som førte prosjektet til konkurs. Oppdagelsen av W- og Z ° -bosonene i CERN i 1983 reduserte deretter attraktiviteten til ISABELLE- prosjektet ( fr ) . Prosjektet er forlatt iJuli 1983 av Department of Energy.
Med en omkrets på 87 kilometer på et område av Waxahachie i Texas, skulle denne hadron-kollideren, med kallenavnet Desertron , transportere bjelker på 20 TeV for å bidra til påvisning av Higgs boson . Byggingen startet i 1991, og 23,5 kilometer tunnel ble gravd ut i slutten av 1993. Den amerikanske kongressen bestemte seg for å forlate prosjektet i 1993 på grunn av de uoverkommelige kostnadene ved bygging og muligens Sovjetunionens sammenbrudd. Nettstedet er for tiden ledig.
Den europeiske konkurrenten, Large Hadron Collider , bekreftet eksistensen av Higgs-bosonen4. juli 2012takket være ATLAS- og CMS- eksperimentene .
Vivitron ble designet av Michel Letournel på 1980-tallet, etter at forskjellige originale utviklinger ble utført på hans initiativ på en Van de Graaff Tandem MP-akselerator i Strasbourgs kjerneforskningssenter. Den ble først presentert på Oak Ridge National Laboratory (USA) på en internasjonal konferanse i 1981.
Strasbourgs kjerneforskningssenter hadde solid erfaring innen elektrostatiske akseleratorer med forskjellige energier. Det siste anskaffelsen, på begynnelsen av 1970-tallet, var en Van de Graaff Tandem hvis maksimale spenning hadde blitt hevet til 16 millioner volt. Grunnideen, en bedre fordeling av det elektriske feltet takket være nøye ordnede elektroder , ble innlemmet i prosjektet til en elektrostatisk akselerator, Vivitron, med en maksimal spenning på 35 millioner volt, i prinsippet.
Den tekniske dyktigheten var lovende, dimensjonene imponerende: lengden på "tanken" på 50 meter, diameter i midten av tanken 8,50 meter, 60 tonn SF 6 . Så lastebåndet var 100 meter langt og gikk fra den ene enden av tanken til den andre. Denne Van de Graaff-tandem skilte seg fra de større maskinene av denne typen ved sin indre mekaniske struktur, laget av lange horisontale bjelker i kompositt av epoxy-glassfiber og radiale studs i epoxy fylt med aluminiumoksyd. Den jevne fordelingen av det elektriske feltet ble oppnådd ved hjelp av et system med 7 portaler hver utstyrt med 7 separate elektroder. Studiene startet i 1983, samlingen mellom 1990 og 1993. I 1996 var driften pålitelig ved 18 MV . Spesifikasjonene ble ikke oppfylt, den maksimale spenningen som ble nådd var 25 millioner volt (som i lignende prosjekter i USA og Storbritannia). Driften av Vivitron avsluttet i 2003.
Det økonomiske problemet blir desto mer sensitivt ettersom størrelsen på akseleratorene har en tendens til å vokse uforholdsmessig. Etter refleksjonene fra ICFA satte flere lag seg på å undersøke nye partikkelakselerasjonsteknikker. Vitenskapen om akseleratorer, som til nå var privilegiet til produksjonslaboratorier, er nå gjenstand for samarbeid mellom spesialister innen plasmaer, lasere og andre grener av fysikken.
Konseptet Terascale kvalifiserer en fysikk som beskriver kollisjonene mellom partiklene ved høy energi fra TeV (10 12 eV ). LHC og Tevatron er Terascale- akseleratorer .
Selv om det allerede er de 6 th generasjon maskiner, den tekniske utviklingen av synchrotron er langt fra fullstendig, blir fremdriften ventes på omformerene, de optiske lyse linjer, og instrumentering, og spesielt detektorene. Nye utsikter eksisterer når det gjelder nåværende maskiner avledet synkrotroner, men komplementære, lasere på frie elektroner (FEL).
I disse konvensjonelle konstruksjonene er akselerasjonsfeltet begrenset til rundt 50 MV / m på grunn av veggbrudd for større felt. For å nå høye energier er det derfor nødvendig å bygge gigantiske strukturer ( LEP , LHC men oppgivelse av SSC). Et mulig alternativ er akselerasjonen av elektroner ved laser-plasma-interaksjon . Akselerasjonen foregår i et allerede ionisert medium, som eliminerer sammenbruddsproblemer. Akselerasjonsfeltene kan da være betydelig høyere, noe som gjør det mulig å redusere akselerasjonslengden.
Teknologier
Partikkelfysikk
Partikkelakseleratorer