Les accélérateurs circulaires



De la première élaboration conceptuelle théorique du cyclotron en 1929 au 27km du LHC (Large Hadron Collider : Grand Collisionneur de Hadrons, en français) se sont suivies de nombreuses évolutions dans le monde de l'accélération des particules. Ainsi se sont développées plusieurs classes d'accélérateurs circulaires, dont nous allons parler maintenant.


Cyclotron



Le cyclotron a été élaboré pour la première fois, ne serait-ce qu'au stade de concept, par Ernest Lawrence en 1929. Cette même famille comprend plusieurs types de cyclotrons, cependant le principe étant le même, nous traiterons ici le fonctionnement du cyclotron de manière globale.


Un cyclotron est composé de deux électroaimants disposés verticalement des deux côtés de la partie dans laquelle évoluerons les particules. Cette partie est en fait composée de deux chambres en forme de demi-disque (de D plein et en trois dimensions), séparées d'un petit espace dans lequel les particules seront soumises à un champ électrique produit par un générateur de courant alternatif et seront donc accélérées à ce moment.

Schéma cyclotron
Ci-dessus: schéma d'un cyclotron

Une propriété intéressante est que la fréquence du cyclotron (le temps que le flux de particules met pour faire un tour) ne dépend pas du rayon du cyclotron. En effet selon Newton la somme des forces qui sont appliquées sur une particule est :
F=ma.
Or ici le mouvement est circulaire uniforme, l'accélération est donc:
a=v²/r
Selon Lorenz la somme des forces appliquées ici est:
F=Bqv Avec
B le champ magnétique
q la charge de la particule
v la vitesse de la particule


Il n'y a aucun r dans l'équation ce qui montre que le rayon n'est pas lié au temps de parcours d'une particule dans un cyclotron.


Cependant cette technique présente une limite gênante: plus les particules accélèrent, plus elles s'approchent de la vitesse de la lumière, plus elles sont soumises à l'effet relativiste décrit par Einstein. Alors leur masse augmente et le paquet de particules s'allonge et certaines ratent leur passage au point d'accélération. C'est suite à cette rencontre de l'obstacle que les physiciens développèrent un nouveau type d'accélérateur: le synchrotron.