Fonctionnement des accélérateurs de particules

Quil sagisse de recherche médicale ou scientifique, de développement de produits grand public ou de sécurité nationale, les accélérateurs de particules touchent presque tous les aspects de notre vie quotidienne. Depuis les débuts du tube cathodique dans les années 1890, les accélérateurs de particules ont apporté dimportantes contributions à linnovation scientifique et technologique. Aujourdhui, il existe plus de 30 000 accélérateurs de particules en fonctionnement dans le monde.

Quest-ce quun accélérateur de particules?

Un accélérateur de particules est une machine qui accélère des particules élémentaires, telles que des électrons ou protons, à des énergies très élevées. À un niveau de base, les accélérateurs de particules produisent des faisceaux de particules chargées qui peuvent être utilisés à diverses fins de recherche. Il existe deux types de base daccélérateurs de particules: les accélérateurs linéaires et les accélérateurs circulaires. Les accélérateurs linéaires propulsent les particules le long dune ligne de faisceau linéaire ou droite. Les accélérateurs circulaires propulsent les particules autour dune piste circulaire. Les accélérateurs linéaires sont utilisés pour les expériences à cible fixe, tandis que les accélérateurs circulaires peuvent être utilisés à la fois pour les expériences à faisceau de collision et à cible fixe.

Comment fonctionne un accélérateur de particules?

Les accélérateurs de particules utilisent lélectrique champs pour accélérer et augmenter lénergie dun faisceau de particules, qui sont dirigés et focalisés par des champs magnétiques. La source de particules fournit les particules, telles que les protons ou les électrons, qui doivent être accélérées. Le faisceau de particules se déplace à lintérieur dun vide dans le tube de faisceau métallique. Le vide est essentiel pour maintenir un environnement sans air et sans poussière pour que le faisceau de particules se déplace sans obstruction. Les électroaimants dirigent et concentrent le faisceau de particules pendant quil se déplace à travers le tube à vide.

Les champs électriques espacés autour de laccélérateur passent du positif au négatif à une fréquence donnée, créant des ondes radio qui accélèrent les particules en grappes. Les particules peuvent être dirigées vers une cible fixe, telle quun mince morceau de feuille métallique, ou deux faisceaux de particules peuvent entrer en collision. Les détecteurs de particules enregistrent et révèlent les particules et les radiations produites par la collision entre un faisceau de particules et la cible.

Comment les accélérateurs ont-ils contribué à la science fondamentale?

Les accélérateurs de particules sont essentiels outils de découverte pour la physique des particules et nucléaire et pour les sciences qui utilisent les rayons X et les neutrons, un type de particule subatomique neutre.

La physique des particules, également appelée physique des hautes énergies, pose des questions de base sur lunivers. Avec les accélérateurs de particules comme principaux outils scientifiques, les physiciens des particules ont acquis une compréhension approfondie des particules fondamentales et des lois physiques qui régissent la matière, lénergie, lespace et le temps.

Au cours des quatre dernières décennies, les sources de lumière – les accélérateurs produisant des photons, la particule subatomique responsable du rayonnement électromagnétique – et les sciences qui les utilisent ont fait des progrès spectaculaires qui traversent de nombreux domaines de recherche. Aujourdhui, environ 10 000 scientifiques aux États-Unis utilisent des faisceaux de rayons X pour la recherche en physique et chimie, en biologie et médecine, en sciences de la Terre et bien dautres aspects de la science des matériaux et du développement.

les accélérateurs de particules ont amélioré les produits de consommation?

Dans le monde entier, des centaines de processus industriels utilisent des accélérateurs de particules – de la fabrication de puces informatiques à la réticulation de plastique pour film rétractable et au-delà.

Les applications par faisceaux délectrons se concentrent sur la modification des propriétés des matériaux, telles que laltération des plastiques, pour le traitement de surface et pour la destruction des agents pathogènes dans la stérilisation médicale et lirradiation des aliments. Les accélérateurs à faisceaux dions, qui accélèrent les particules plus lourdes, trouvent une large utilisation dans lindustrie des semi-conducteurs dans la fabrication de puces et dans le durcissement des surfaces de matériaux tels que ceux utilisés dans les articulations artificielles.

Comment les accélérateurs de particules sont-ils utilisés dans les applications médicales ?

Des dizaines de millions de patients reçoivent des diagnostics et des traitements basés sur des accélérateurs chaque année dans des hôpitaux et des cliniques du monde entier. Les accélérateurs de particules ont deux rôles principaux dans les applications médicales: la production de radio-isotopes pour le diagnostic médical et la thérapie, et comme sources de faisceaux délectrons, de protons et de particules chargées plus lourdes pour le traitement médical.

La large gamme de les demi-vies des radio-isotopes et leurs différents types de rayonnement permettent une optimisation pour des applications spécifiques. Les isotopes émettant des rayons X, des rayons gamma ou des positrons peuvent servir de sondes diagnostiques, avec des instruments situés à lextérieur du patient pour imager la distribution du rayonnement et donc les structures biologiques et le mouvement ou la constriction des fluides (circulation sanguine, par exemple). Les émetteurs de rayons bêta (électrons) et de particules alpha (noyaux dhélium) déposent la majeure partie de leur énergie à proximité du site du noyau émetteur et servent dagents thérapeutiques pour détruire les tissus cancéreux.

La radiothérapie par faisceaux externes est devenue une méthode très efficace pour traiter les patients cancéreux. La grande majorité de ces irradiations sont désormais réalisées avec des accélérateurs linéaires hyperfréquences produisant des faisceaux délectrons et des rayons X. Les progrès de la technologie des accélérateurs, des diagnostics et des techniques de traitement au cours des 50 dernières années ont considérablement amélioré les résultats cliniques. Aujourdhui, 30 centres de traitement de protons et trois centres de traitement par faisceaux dions carbone sont en service dans le monde, et de nombreux nouveaux centres sont en route.

Les laboratoires nationaux du département de lénergie ont joué un rôle crucial dans le développement précoce de ces centres. technologies. Le Laboratoire national de Los Alamos a contribué à la mise au point daccélérateurs linéaires pour les électrons, désormais les bêtes de somme de la thérapie par faisceaux externes. Les laboratoires nationaux dOak Ridge et de Brookhaven ont apporté une grande partie de lexpertise actuelle en matière disotopes pour le diagnostic et la thérapie. Le Lawrence Berkeley National Laboratory a été le pionnier de lutilisation des protons , particules alpha (noyaux dhélium) et autres ions lumineux pour la thérapie et la radiobiologie.

Comment les accélérateurs de particules ont-ils bénéficié à la sécurité nationale?

Les accélérateurs de particules jouent un rôle important dans la sécurité nationale, y compris le fret inspection, gestion des stocks et caractérisation des matériaux.

Les premières applications des accélérateurs pour inspecter les combustibles nucléaires ont utilisé des accélérateurs linéaires délectrons à faible énergie commerciaux pour induire réactions de photo-fission. Ces technologies dinspection se sont étendues aux enquêtes sur les fûts à déchets dans les années 1980 et finalement aux inspections des cargaisons. Linvention du laser à électrons libres dans les années 1970 a conduit à un rayonnement électromagnétique de plus en plus puissant utilisant des électrons de haute énergie, dun intérêt direct pour les applications de sécurité et de défense, y compris lapplication proposée par la Marine de la technologie laser à électrons libres à la défense des navires.