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RÉSUMÉ
Le besoin de grands accélérateurs très performants et plus économes en énergie a conduit à multiplier l'utilisation de matériaux supraconducteurs, notamment pour la fabrication des cavités radiofréquences destinées à accélérer les particules chargées. Nous décrivons ici les spécificités de l'accélération de particules chargés par des cavités radiofréquences supraconductrices : rappel sur l'accélération des particules chargées, performances et limites des cavités supraconductrices, environnement spécifique.
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Claire ANTOINE : Ingénieure-chercheuse à l'Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers - CEA-Saclay
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Juliette PLOUIN : Ingénieure-chercheuse à l'Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers - CEA-Saclay
INTRODUCTION
L'utilisation de cavités supraconductrices a permis d'améliorer les performances des accélérateurs de particules. On retrouve cette technologie en recherche fondamentale et appliquée, mais aussi dans le domaine médical et industriel : grands accélérateurs pour la physique nucléaire et des particules, sources de lumière synchrotron ou lasers à électrons libres, sources de protons et de neutrons. Des applications sociétales importantes (par exemple l'hadronthérapie, la transmutation des déchets nucléaires…) sont en cours de développement.
Un accélérateur est principalement constitué :
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d'un injecteur. Il s'agit d'une source de particules chargées (électrons protons, ions) et mise en forme du faisceau ;
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d'éléments capables de produire un champ magnétique pour dévier et/ou focaliser la trajectoire des particules ;
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d'éléments capables de générer un champ électrique pour accélérer les particules.
La supraconductivité est de plus en plus utilisée aussi bien pour la fabrication des électroaimants utilisés pour dévier les faisceaux [D 590] que pour la fabrication des cavités radiofréquences (RF) qui génèrent les champs électriques nécessaires à l'accélération des particules. En effet, l'usage de matériaux supraconducteurs permet de diminuer considérablement les dissipations thermiques dues à l'effet Joule. Dans de nombreuses applications, le gain en rendement et/ou sur la taille de la machine l'emporte considérablement sur les investissements supplémentaires liés à la fabrication d'installations cryogéniques. Contrairement aux cavités en cuivre, les cavités supraconductrices peuvent fonctionner en champ radiofréquence continu et avec des champs accélérateurs élevés.
La conception d'un accélérateur dépend des applications souhaitées ; il y a deux grandes catégories d'accélérateurs. Dans les machines circulaires, le faisceau repasse plusieurs fois dans les éléments accélérateurs. Dans ce cas les points critiques sont essentiellement les champs magnétiques intenses nécessaires pour dévier le faisceau et les dissipations dans les parois des cavités radiofréquences. Au contraire, dans les accélérateurs linéaires, où le faisceau ne passe qu'une fois, le point critique est le champ accélérateur qui doit être maximum.
Nous nous focaliserons ici sur les cavités radiofréquences et sur l'apport des matériaux supraconducteurs dans cette technologie.
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Cavités radiofréquences
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1. Accélérer des particules chargées
1.1 Énergie des particules relativistes
On utilise la formulation relativiste pour décrire le mouvement des particules accélérées car celles-ci atteignent des vitesses proches de celle de la lumière. Une particule en mouvement peut être définie par sa vitesse absolue v, ou par sa vitesse relative β = v /c, c étant la vitesse de la lumière dans le vide. Son énergie au repos est égale à E 0 = mc2, où m est sa masse. Son énergie totale en mouvement est égale à γ · mc2 où γ est le facteur de Lorentz relatif au mouvement de la particule :
Pour accélérer des particules, il est nécessaire de leur fournir une énergie cinétique E c , qui représente la différence entre l'énergie totale et l'énergie au repos :
L'énergie cinétique à fournir pour accélérer une particule augmente considérablement et tend vers l'infini lorsque sa vitesse se rapproche de celle de la lumière. La figure 1 représente l'énergie d'une particule en fonction de sa vitesse relative. Le tableau 1 donne l'énergie au repos de quelques particules. Plus une espèce possède une énergie au repos élevée, plus la quantité d'énergie nécessaire pour l'amener à une...
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Accélérer des particules chargées
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - HOLTKAMP (N.) - Status of the SNS project. - In Proceedings of the Particle Accelerator Conference. Oak Ridge, TN, USA : IEEE (2003).
-
(2) - OLRY (G.) et al - Recent developments on superconducting beta 0.35 and beta 0.15 spoke cavities at IPN for low and medium energy sections of proton linear accelerators. - In Proceedings of the EPAC (2004).
-
(3) - ORSINI (F.) et al - Progress on the SRF linac developments for the IFMIF-LIPAC project. - IPAC (2013).
-
(4) - BERNAUDIN (P.) et al - Design of the low-beta, quarter-wave resonator and its cryomodule for the SPIRAL2 project. - In EPAC (2004).
-
(5) - BRINKMANN (R.) et al - TESLA technical design report part II : the accelerator. - DESY-01-011B (2001).
-
(6) - DEVANZ (G.) - Cryomodules with elliptical cavities for ESS. - In...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Le site « Joint Accelerator Conferences Website » publie l'ensemble des conférences sur les accélérateurs de particules. Parmi les proceedings de conférences archivés sur ce site, les conférences SRF (International Conférence on RF Superconductivity) y sont rassemblées depuis la première édition en 1980. On y trouve tous les détails sur la rechercher et développement et les progrès récents sur les cavités supraconductrices et leur environement https://www.jacow.org/
Laser à électrons libre XFEL http://www.xfel.eu
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