Qu'est-ce qu'un cyclotron?
Un cyclotron est un type d'accélérateur de particules qui utilise un champ magnétique constant et des champs électriques alternatifs pour accélérer une particule dans un mouvement en spirale. Ces types d'accélérateurs de particules ont été parmi les premiers conçus et présentent plusieurs avantages par rapport aux premiers accélérateurs linéaires, tels que des exigences de taille plus petite. Bien que les progrès de la technologie aient rendu possibles des types plus complexes d’accélérateurs de particules, les cyclotrons ont encore quelques utilisations dans un certain nombre de domaines différents. Un cyclotron peut toujours être utilisé dans des expériences de physique, en particulier au début d’un accélérateur à plusieurs étages.
Mis au point en 1932, le cyclotron est un accélérateur de particules qui utilise un mouvement circulaire, généralement dans une spirale de croissance externe, pour accélérer les particules à différentes fins. L'accélération des particules nécessite généralement une distance assez grande pour permettre aux particules de parvenir à une vitesse suffisante pour être utilisées dans des expériences. Cependant, la conception d'un cyclotron permet l'utilisation d'accélérateurs plus petits, car la particule se déplace dans un mouvement circulaire et parcourt une grande distance sans nécessiter un long couloir rectiligne pour le passage.
Un cyclotron fonctionne essentiellement en utilisant une paire d'électrodes de haute puissance, chacune ayant la forme d'un «D» avec les côtés plats les uns contre les autres, pour créer une forme circulaire complète. En commençant au centre du cercle, une particule commence à s'éloigner du centre, mais en utilisant l'attraction et la répulsion, elle est plutôt entraînée dans un mouvement circulaire. Les diodes alternent de charge entre elles pour que la particule soit accélérée vers l'une d'elles, puis se recourbant lorsqu'elle est repoussée par celle-ci et attirée vers l'autre, puis continue le motif entre les deux électrodes. Cela créerait un mouvement circulaire parfait si on le laissait seul, mais un champ magnétique est créé entre les deux diodes, lequel est perpendiculaire au mouvement circulaire de la particule.
Ce champ magnétique décale légèrement le mouvement de la particule, de sorte que chaque fois qu'elle passe entre les deux électrodes, elle est éloignée un peu du centre du cercle. En déplaçant la particule légèrement vers l'extérieur, le chemin qu'il prend pendant l'accélération devient une spirale croissante plutôt qu'un cercle. Cela permet à la particule de frapper éventuellement une zone cible à l'intérieur de l'unité de confinement, où elle peut ensuite être redirigée pour une étude ou une utilisation ultérieure.
Un des principaux inconvénients d'un cyclotron est que la zone cible ne peut être utilisée que pour une particule se déplaçant à une vitesse pouvant être correctement calculée à l'aide de la physique newtonienne. Des vitesses plus élevées provoqueraient des effets relativistes et la cible ne serait pas frappée correctement, ce qui signifie qu'un cyclotron ne peut généralement pas produire les niveaux d'accélération que les nouveaux accélérateurs linéaires peuvent produire. Des cyclotrons isochrones ont cependant été mis au point pour compenser les modifications relativistes de la particule et pour être tout à fait efficaces.