Vulgarisation accélérateurs

RADIOPROTECTION CIRKUS
Document technique
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les_accélérateurs_de_particules.doc
Titre : Informations-vulgarisation sur les accélérateurs de
particules
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Nom du document : les_accélérateurs_de_particules.doc
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Résumé : Un accélérateur de particules, comme son nom l’indique, est une machine
permettant de mettre en mouvement des particules chargées. Ce document
décrit les principes de fonctionnement des différents types
d’accélérateurs

Informations-vulgarisation sur les accélérateurs de
particules
Billy KERNISANT
1 Qu’est ce qu’un accélérateur de particules ?
1-1 Généralités
Un accélérateur de particules, comme son nom l’indique, est une machine permettant de mettre en
mouvement des particules chargées (électrons, positrons, protons, ions lourds…). Selon le Code de
la Santé Publique, un accélérateur est un appareillage ou une installation dans lesquels des
particules sont soumises à une accélération et émettant des rayonnements ionisants d’énergie
supérieure à 1 MeV. Il n’y a pas d’appellation particulière au dessous de 1 MeV (appareil de
radiographie, …).
Schématiquement, un accélérateur comprend essentiellement trois éléments : une source d’ions ou
d’électrons, un dispositif d’accélération et un espace d’expérimentation où est placée la cible à
irradier.
On peut distinguer trois classes d'accélérateurs :
• Les accélérateurs électrostatiques appliquent aux particules une tension constante allant de
quelques dizaines de milliers à plusieurs million de volts.
• Les accélérateurs linéaires utilisent un champ électromagnétique variable qui accélère les
particules en ligne droite.
• Le principe des accélérateurs circulaires est fondé sur le fait qu'une particule chargée,
placée dans un champ magnétique uniforme, décrit une trajectoire circulaire sur laquelle
elle reçoit, à chaque tour, une impulsion (donnée par un champ électrique).
Les premiers accélérateurs ont permis de déterminer la structure élémentaire de la matière. Au fur
et à mesure du temps et de l’avancée des technologies et découvertes, les énergies ne cessèrent
d’augmenter jusqu’à atteindre le TeV. Ainsi, bien que les faibles énergies ne soient plus utilisées
que pour des opérations de transmutations, le domaine des très hautes énergies est nécessaire pour
visualiser l’état particulaire de la matière.
1-2 Tubes à rayons X et générateurs de rayons X
Le tube à rayons X est un dispositif permettant de produire des rayons X. Quel que soit le type de
tube, la génération des rayons X se fait selon le même principe : une haute tension électrique (de

l'ordre de 20 à 400 kV généralement) est établie entre deux électrodes. Il se produit alors un
courant d'électrons de la cathode vers l'anode (parfois appelée « anticathode » ou « cible »). Les
électrons percutent la cible côté anodique, il se produit alors une émission de rayons X par
rayonnement de freinage (effet Bremsstrahlung). Aussi appelé « générateur de rayons X », le tube à
rayons X émet un rayonnement secondaire d’énergie n’excédant pas la centaine de keV.
Les applications du tube à RX sont nombreuses, la plus courante étant la radiographie médicale. Un
tube cathodique est un tube à RX, le verre stoppant le rayonnement induit de faible énergie.
1-3 Cavité accélératrice
Il s’agit d’une cavité sous vide permettant d’accélérer les électrons jusqu’à l’énergie désirée selon
différents principes physiques. Dans les cas les plus simples, cette cavité est incluse dans le tube à
rayons X, transformant l’ensemble en un accélérateur. Pour des accélérations plus importantes, elle
est connectée à un canon à électrons et fonctionne par champ électrostatique (accélérateur
électrostatique type « Van de Graaf ») ou par champ électromagnétique (accélérateur linéaire type
« LINAC » et circulaire type « cyclotron »). Le détail des différentes technologies permettant
d’accélérer la particule sera précisé par la suite.
2 Sources de particules primaires
2-1 Sources d’électrons
A la base de tout accélérateur il y a une source de particules. Que ce soit des électrons ou des ions,
leur production est nécessaire pour donner un sens à l’accélérateur. Ce sont ces particules qui vont
être accélérées et former le faisceau primaire. Leur rencontre avec une cible peut produire un
faisceau secondaire, ou engendrer une réaction nucléaire.
La figue 1 ci-dessous représente le schéma d’une source d’électrons. Des électrons libres sont émis
par un métal placé dans une enceinte à vide poussé et portée à une température élevé. Une tension
continue est maintenue entre l’anode et un fil métallique constituant la cathode. Cette dernière
portée à incandescence émet des électrons qui sont recueillis par l’anode. A température
constante, l’intensité du courant thermo-ionique augmente avec la tension mais atteint rapidement
sa saturation.
Cette source d’électrons émet des particules de manière continue et régulière. La quantité
d’électrons produite ne va donc dépendre que de l’intensité du courant de la cathode.
Afin de créer des « pulses », il est possible de rajouter une électrode connectée à un potentiel
variable entre l’anode et la cathode. La variation de polarisation dépendant de la tension
alternative du courant appliqué permettra de laisser passer ou non le faisceau d’électron.

Figure 1 : Source d'électrons
Pour produire de grosses quantités d’électrons, des effets de « claquage » peuvent être provoqués.
C’est le cas dans les tubes de Coolidge ou tubes de Crooks. L’ionisation d’une faible quantité de gaz
dans le tube permet la production d’un flux d’électrons. Un système de capacités se charge et
décharge, provoquant des intensités de courant massives. L’inconvénient de ce système est qu’il est
difficile de le transformer en canons à électrons, sous peine de perdre l’étanchéité du tube à vide
sous le coup des décharges. De plus, les électrons sont de suite dirigés vers une cible, provoquant la
création de rayonnements X de faibles énergies.
Aussi, le système le plus récurrent reste le tube à vide et à effet thermo-ionique, le rendement de
production étant largement satisfaisant pour une accélération initiale faible.
Diverses recherches ont permis de mettre en évidence la possibilité de créer des sources d’électrons
de 200 MeV grâce à l’excitation d’un plasma par laser. De quoi augmenter significativement la
portée des sources d’électrons.
2-2 Sources d’ions
Les sources d’ions ont des structures plus complexes que les sources d’électrons. Il faut entendre
par ions toutes particules ayant un excédent ou un défaut de charge électrique. La particule créée
le plus fréquemment est le proton car il est le plus simple à réaliser par ionisation d’hydrogène.
Le mode de fonctionnement de ces sources dépend de la conception de l’accélérateur. Il en existe
plusieurs types :
• Source à ionisation primaire,
• Source à arc lumineux,
• Source à plasma,
• Source à cathode froide,
• Source à haute fréquence.

Figure 2 : Source d'ion basé sur le phénomène d'ionisation
Dans le cas d’une source par ionisation primaire, comme pour une source d’électrons, une cathode
est chauffée pour produire des électrons par effet thermo-ionique. Le passage du faisceau
d’électrons à travers un gaz à faible pression provoque des chocs entre les atomes de gaz. Les ions
formés sont repoussés vers la sortie par l’électrode d’extraction et sont ensuite attirés par
l’électrode post-accélération. Le champ magnétique dont la direction est parallèle au faisceau
électronique a pour rôle d’allonger le parcours des électrons dans le tube à décharge en leur
imposant des trajectoires hélicoïdales.
3 Accélérateurs électrostatiques
Ces accélérateurs fonctionnent selon le principe suivant : une haute tension est appliquée entre 2
électrodes produisant ainsi un champ électrique statique. L’énergie cinétique acquise par les
particules est égale, en eV, à la différence de potentiel en V. Il est important de préciser que le
tube à rayons X est le plus simple de ces accélérateurs.
Cependant, afin d’obtenir un rapport encombrement/puissance moindre, ou d’obtenir plus
facilement des très fortes accélérations, les accélérateurs électrostatiques ne furent plus utilisés et
passèrent d’accélérateurs à part entière à composant d’accélérateurs. Les accélérateurs
électrostatiques fournissent des faisceaux continus à des énergies modestes et sont utilisés en