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Recherche et développement en accélérateurs
ContexteLa physique nucléaire et la physique des hautes énergies utilisent des faisceaux de particules générés puis accélérés par des instruments sophistiqués. Ces appareils, appelés accélérateurs, font actuellement l’objet d’une intense recherche technologique afin d’en améliorer constamment les performances.
Les principales avancées techniquesLa R&D en matière d’accélération fait appel à un grand nombre de spécialités scientifiques et technologiques (physique des accélérateurs, techniques de cryogénie, de magnétisme, d’hyperfréquences, du vide, de contrôle-commande, électronique rapide et de puissance, instrumentation de faisceaux …) et se concentre sur la génération de faisceaux de particules par des sources d’ions de plus haute luminosité et de haute intensité ainsi que sur l’accélération des particules à des énergies plus élevées. Les sources d’ionsLe développement des sources d’ions, secteur d’excellence de l’IN2P3, propose des sources capables, avec un bon rendement, soit d’ioniser n’importe quel type d’élément avec de forts états de charge, soit de convertir, pour des faisceaux radioactifs, un faisceau d’ions mono-chargés en faisceau d’ions multi-chargés, deux applications essentielles en physique du noyau. Les sources d’ions font également l’objet de transferts dans le monde industriel. Les accélérateurs de protons de forte puissanceLes accélérateurs envisagés pour la production de faisceaux d’ions radioactifs ou de faisceaux intenses de neutrinos ou encore comme source de neutrons de spallation font appel à un accélérateur primaire de protons de quelques dizaines de milliampères d’intensité et d’un gigaélectronvolt d’énergie, d’où des puissances de faisceaux élevées (plusieurs megawatts). De telles machines posent des problèmes nouveaux en matière de sources d’ions, de cavités accélératrices et surtout de fiabilité, condition essentielle pour certaines applications (transmutation).
Le projet Iphi d’injecteur de protons pour la partie basse énergie d’un accélérateur dédié aux faisceaux de protons de haute intensité a été conçu pour démontrer la faisabilité d’une machine de forte intensité et de très grande fiabilité. C’est la première étape du développement des futurs faisceaux de particules nécessaires à plusieurs communautés scientifiques et applications (projet Superconducting proton linac (SPL) au Cern, faisceaux, superfaisceaux radioactifs et faisceaux bêta (projet Eurisol), sources de neutrons de spallation (projet European spallation source - ESS), ADS (Système piloté par accélérateur) Myrrha, tests des matériaux pour la fusion (projet Ifmif)).
Les faisceaux de forte intensité demandent des cavités accélératrices ayant de larges ouvertures, pour limiter les pertes associées à un fort gradient accélérateur, et un excellent rendement électrique. Les cavités supraconductrices "Spoke" répondent à ces exigences pour la réalisation du premier étage de ce type d’accélérateur. En ce qui concerne l’étage final d’accélération, le développement de cavités elliptiques s’est révélé très performant. De façon à capitaliser l’acquis technologique et en synergie avec l'Irfu (CEA/DSM), a été créée la plateforme de recherche technologique régionale Supratech, co-financée par des contrats régionaux, départementaux et européens. Cette plateforme soutient par exemple les développements nécessaires à la réalisation du projet phare européen de physique nucléaire centré sur l’utilisation de l’accélérateur de faisceaux radioactifs Spiral2, basé au Ganil à Caen, et la R&D nécessaire aux projets de la génération suivante (Eurisol). Les accélérateurs d’électrons pour la physique des particulesLe grand collisionneur de hadrons (LHC) au Cern a démarré en 2008 (l'IN2P3 a participé à sa construction) mais les physiciens réfléchissent déjà aux accélérateurs futurs : des collisionneurs linéaires d’électrons de plus de 500 GeV. Deux voies sont à l’étude :
D'autres aspects importants liés aux collisionneurs linéaires et indépendants de la technologie accélératrice sont étudiés à l’Institut : les sources originales de positrons polarisés, les interactions laser-faisceau et faisceau-faisceau et leurs effets sur les détecteurs et des développements d'instrumentation avancée.
Ouverture interdisciplinaireGrâce à l’extraordinaire acquis de ces développements, l’IN2P3 propose l’utilisation de ses techniques d’accélération à d’autres disciplines :
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