Qu'est-ce qu'un accélérateur linéaire?
Un accélérateur linéaire est un dispositif qui accélère la vitesse d'une matière en la déplaçant le long d'un trajet linéaire avec des champs électromagnétiques. Le terme est le plus couramment utilisé pour désigner un accélérateur linéaire de particules, ou linac, qui accélère les atomes ou les particules subatomiques. Par «accélérateur linéaire», on entend également les dispositifs utilisant l'électromagnétisme pour propulser des objets plus volumineux, tels que les coilguns et les railguns. Les accélérateurs linéaires à particules sont couramment utilisés en médecine, dans l'industrie et dans les expériences scientifiques. Les accélérateurs électromagnétiques pour objets volumineux peuvent avoir des applications futures tels que les voyages dans l’espace et les armes.
Un accélérateur de particules linéaire déclenche des particules chargées magnétiquement. Ceux-ci peuvent être des atomes entiers chargés, appelés ions, ou des particules subatomiques telles que des protons et des électrons. Tout d'abord, la particule à accélérer est générée par un dispositif électromagnétique tel qu'une cathode ou une source d'ions et libérée dans une chambre à vide en forme de tuyau garnie d'électrodes. Les électrodes sont ensuite alimentées pour créer des champs magnétiques oscillants qui transmettent de l’énergie à la particule et l’accélèrent dans le tube en direction de la cible du dispositif. La disposition précise des électrodes dans le tube, la puissance et la fréquence de l'énergie envoyée dans les électrodes et la taille des électrodes varient en fonction des particules accélérées et de la fonction du dispositif.
Un exemple simple et très courant est le tube à rayons cathodiques, couramment utilisé dans les téléviseurs, les moniteurs et autres technologies d'affichage. Le tube à rayons cathodiques propulse des électrons dans le tube jusqu'à atteindre une cible solide à l'extrémité du tube en matériaux luminescents appelés phosphores, qui sont généralement des composés de sulfure de métal. Cela provoque la libération d’une partie de l’énergie des électrons sous forme d’émission d’énergie électromagnétique dans les longueurs d’onde que l’œil humain détecte sous forme de lumière visible. Les appareils à rayons X utilisés en médecine et en recherche biologique suivent un principe similaire: envoyer des flux d'électrons au cuivre, au molybdène ou au tungstène pour produire des émissions de rayons X pouvant être utilisées pour l'imagerie ou, avec des appareils plus puissants, la radiothérapie.
Les accélérateurs de particules linéaires sont également utilisés dans la recherche scientifique. Les petits appareils sont fréquemment utilisés pour l'imagerie dans les recherches biologiques et archéologiques. Les accélérateurs linéaires utilisés pour la recherche varient considérablement en taille et peuvent atteindre des dimensions véritablement colossales en raison des niveaux d'énergie extrêmement élevés nécessaires pour produire certains des phénomènes étudiés en physique moderne. Le plus grand accélérateur linéaire de particules au monde, situé au laboratoire d'accélérateur national du SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) à Menlo Park, en Californie, a une longueur de trois kilomètres.
Ils sont également utilisés dans certains processus industriels. Certaines puces de silicium utilisées dans l’électronique moderne sont fabriquées selon un processus incorporant des accélérateurs qui propulsent des atomes chargés entiers au lieu de particules subatomiques, permettant ainsi un placement très précis des atomes pendant la production. Les accélérateurs peuvent également être utilisés pour implanter des ions à la surface de matériaux tels que l'acier, modifiant ainsi la structure du matériau pour le rendre plus résistant à la corrosion chimique par fissures.
Le terme «accélérateur linéaire» est également parfois utilisé pour les dispositifs qui propulsent des objets plus volumineux de manière similaire, utilisant l'électromagnétisme pour accélérer un projectile sur une trajectoire rectiligne. Celles-ci fonctionnent en faisant circuler l’électricité soit à travers une bobine de métal enroulée autour du canon de l’appareil, une conception appelée «coilgun», un pilote de masse ou un canon Gauss, soit à travers une paire de rails métalliques parallèles, appelés «railgun». Un objet en matériau ferromagnétique, tel que le fer, peut être accéléré dans le corps de l'appareil avec les champs magnétiques générés par des courants électriques correctement synchronisés. Les pistolets à coil ont été proposés comme un moyen possible de lancer des cargaisons de la surface de la Terre dans l’espace extra-atmosphérique, et des pistolets à batterie ainsi que des pistolets à rail sont à l’étude.