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Université des séances et de la technologie houari Boumediene Département de th

Université des séances et de la technologie houari Boumediene Département de thermo-énergétique Module:cryogenie ACCELERATEUR DE PARTICULE SOMMAIRE I. CHAPITRE 1: Généralité .......................................................................................................3 1. Définition..................................................................................................................3 2.Histoire de création...................................................................................................3 3.Diagramme de LIVINGSTON.................................................................................4 II. CHAPITRE 2 : Types accélérateur ............................................................................5 1.Accélérateur linéaire................................................................................................5 1.1 .Manipulation de l'appareil..............................................................................6 1.2.Mode d'emploi...............................................................................................7 1.3.Accélérateur d'électron ................................................................................7 1 .3.a..Accélérateurs utilisés en médecine...................................................7 1.3.b.Accélérateurs utilisés dans l'industrie..................................................7 2.Accélérateur circulaires.................................................................................................8 III. CHAPITRE 3 : ....................................................................................................................10 1. Les caractéristiques d'un accélérateur..........................................................................10 2. Les utilisations des accélérateur ..................................................................................11 3. Les mission d'un accélérateur de particules....................................................................11 4.Les étapes du fonctionnement d'un accélérateur de particules.......................................12 4.1.Production de particules chargées .......................................................................12 4.2.Guidage des particules...........................................................................................12 4.3. Focalisation des particules .....................................................................................13 4.4.Accelerateur des particules ....................................................................................14 4.5.Acceleration et focalisation (presque ) simultanées ..............................................15 5.Les utilisation dun accelerateur de particules....................................................................15 5.1.Etudier la matiere et exporer l'atome grace aux collision de particule ....................15 5.2. Sonder les matériaux en produisant un rayonnement synchrotron..........................17 5.3. Irradier les matériaux, stériliser et guérir ......................................................19 IV. Conclusion ..................................................................................................................20 V. Recherche bibliographique .....................................................................................21 2 I. CHAPITRE 1 : GENERALITE 1.Définition 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. 2.Histoire de création En 1919, le physicien Ernest Rutherford (1871-1938) transforma des atomes d'azote en isotopes d'atome d'oxygène en les bombardant avec des particules alpha engendrées par un isotope radioactif naturel. Mais l'étude de l'atome et surtout de son noyau nécessite de très hautes énergies. Les particules provenant des radio-éléments naturels sont trop peu nombreuses et peu énergétiques pour pénétrer la barrière de potentiel du noyau des éléments les plus lourds. Le potentiel à la surface nucléaire croît d'un million de volts pour l'hydrogène ordinaire à 16 millions pour l'uranium. Les astroparticules (rayons cosmiques) ont permis des découvertes majeures mais leur énergie est très variable et il faut aller les chercher en altitude où elles sont moins rares et plus énergétiques. Dans les années 1920, il apparaît évident qu'une étude plus approfondie de la structure de la matière allait nécessiter des faisceaux plus énergétiques et plus contrôlés de particules. La source des particules chargées était variée. Les décharges dans les gaz produisent des ions, alors que pour les électrons, il était possible d'utiliser l'émission par un fil chauffé ou d'autres systèmes. L'énergie (E) d'une particule dans un champ électrique correspond au produit de sa charge (q) multiplié par la tension (U) du champ : E = q.U. Ainsi, une première solution possible était essentiellement d'accélérer les particules dans un tube à vide soumis à une très haute tension. La course au million de volts avait commencé. Plusieurs systèmes furent proposés. 3 3.Le diagramme de Livingston Stanley Livingston, physicien spécialiste des accélérateurs de particules, a établi ce diagramme dans les années 1960. Il montre la croissance exponentielle de l'énergie des faisceaux accélérés. Ce diagramme classique est modifié : l'axe horizontal a été étendu aux années 2010. L'axe vertical a été étendu à 100 000 TeV. Pour comparer les différents accélérateurs, l'énergie des collisionneurs, qui s'exprime dans le centre de masse, a été recalculée comme si l'énergie des particules observées était le résultat d'une collision avec un proton au repos. Le coût par eV d'énergie du faisceau est réduit d'un facteur 1 000 par période de 7 ans. Dans le passé, on gagnait un facteur 10 tous les 7-8 ans dans l'énergie des collisions réalisées. Si l'évolution s'était maintenue, 60 TeV aurait été atteint dès 2005. Le Large Hadron Collider (LHC) (7 TeV + 7 TeV, CERN, 2008) ne suit donc pas l'extrapolation. Il y a donc un net fléchissement des performances qui indique peut-être un premier signe de fatigue de la discipline. Le diagramme de Livingston 4 II. CHAPITRE 2: TYPES D'ACCELERATEUR Depuis la conception technique d'un accélérateur dans les années 1920, les accélérateurs de particules se sont beaucoup développés et ont pris des tailles très diverses, de quelques mètres à quelques dizaines de kilomètres. On peut classer les accélérateurs en deux grandes catégories : 1. Accélérateur Linéaire: où le faisceau de particules traverse une seule fois l'accélérateur Un accélérateur linéaire est un dispositif permettant d'accélérer des particules chargées afin de leur fournir une énergie cinétique importante dans le but de produire des réactions avec la matière. Les particules accélérées peuvent être des électrons, des protons, ou bien des ions lourds. La particularité de ce type d'accélérateur de particules est la méthode d'accélération des particules chargée, via un champ électrique local ou non et en ligne droite. Lors de son passage dans l'accélérateur, la particule subit une force proportionnelle au champ électrique, la force d'interaction Coulombienne 5 1.1.Manipulation de l'appareil L'appareil est constitué d'un alignement de tubes conducteurs (vus ici en coupe), séparés par de faibles interstices. L'ensemble est soumis à un vide poussé. Entre deux tubes voisins est appliquée une tension alternative. Il y règne donc un champ électrique alternatif. Une source de particules chargées (protons par exemple) est placée devant le premier tube. A l'intérieur d'un tube, le champ est nul et les particules "glissent" à vitesse constante. Dans l'espace entre les tubes, le champ accélère les particules, à condition qu'elles soient convenablement synchronisées. Elles y gagnent un supplément d'énergie ΔEc = qU, où U est la tension à l'instant du passage, et q leur charge. Comme la vitesse des particules augmente, les tubes doivent être de plus en plus longs. En effet, pour un bon fonctionnement, le temps de parcours dans chaque tube doit être identique et égal à une demi-période. On a donc : temps de parcours = L/V = T/2 = ρ/ω, avec :  L : longueur d'un tube 6  V : vitesse dans ce tube ; V = sqrt(2*Ec/m), où Ec est l'énergie cinétique : Ec = E0 + Σ(ΔEc). (E0 : énergie à la sortie de la source)  T : période, et ω : pulsation de la tension 1.2.Mode d'emploi L'animation simule le passage d'une particule dans l'accélérateur. On peut lancer d'autres particules, avec deux options, sélectionnables par les boutons:  le bouton "lancer direct" permet de faire partir une particule à l'instant du clic ; un curseur vert sur le graphe de tension indique la valeur de cette tension lors du passage dans le premier interstice.  le bouton "lancer programmé" permet de choisir l'instant du départ, par déplacement du curseur. Dans ce cas, on peut aussi choisir de lancer plusieurs particules très légèrement décalés dans le temps (placer le pointeur sur le chiffre 1 et taper un autre chiffre au clavier)  Deux graphes indiquent, l'un la tension en fonction du temps, l'autre l'énergie de la particule. 1.3.Accélérateurs d'électrons 1.3.a.Accélérateurs utilisés en médecine La médecine utilise des accélérateur pour le radiodiagnostic et la radiothérapie. Dans les deux cas, ce sont des rayons X qui sont utilisés sur le patient : imagerie ou tomographie (scanner) dans le premier cas1 et irradiation de tumeur dans le second2. Les rayons X de haute énergie sont produits grâce à un faisceau d'électrons issu d'un accélérateur linéaire, qui est converti en rayons X par interaction sur une cible de conversion par rayonnement de freinage. 1.3.b.Accélérateurs utilisés dans l'industrie Des secteurs industriels font également appel à des moyens utilisant des rayonnements ionisants et notamment des rayons X de haute énergie (typiquement entre 1 et 20 MeV). Ces accélérateurs sont généralement fixes mais des modèles portables ont été développés pour des énergies de l'ordre du MeV. Des industries comme l'aéronautique ou la construction pour l'industrie automobile ou nucléaire ont besoin de contrôler des pièces massives par des moyens non destructifs. La radiographie et la tomographie sont des techniques 7 utilisées à cette fin. On trouve également de très nombreux accélérateurs linéaires d'électrons produisant des rayons X dans le domaine de la sécurité pour l'inspection des bagages, des véhicules, des frets et en particulier de conteneurs maritimes. Ces systèmes de contrôle sont basés sur la production d'images de transmission et permettent d'appréhender le contenu des cargaisons par la forme des objets, mais aussi d'une certaine manière la nature chimique des objets par l'utilisation de sources de rayons X spécifiques. 1) Accélérateurs Circulaires Ces accélérateurs collisionneurs sont semblables aux synchrotrons dans le sens où les particules circulent également le long d'une trajectoire circulaire de rayon invariant. La différence est que les collisionneurs produisent des collisions directement entre deux faisceaux de particules accélérés en sens inverse et non plus sur une cible fixe. L'invention des collisionneurs permet de surmonter la baisse de rendement (liée aux lois de la mécanique relativiste) des accélérateurs quand l'énergie croît. Le choc entre un proton accéléré, par exemple, avec un proton au repos génère, dans le système du centre de masse, une énergie beaucoup plus faible que l'énergie du projectile. La proportion d'énergie vraiment utilisable décroit avec l'énergie des projectiles. Si on fait entrer en collision deux particules de directions opposées, chacune ayant l'énergie E, l'énergie dans le centre de masse sera égale à 2 E. Un tel choc permet d'utiliser toute l'énergie produite, uploads/Litterature/ les-accelerateur-departicule.pdf