Injecteur 2: un pré-accélérateur de protons

L'installation du PSI qui permet d'accélérer les protons est composée de trois accélérateurs agencés bout à bout: le premier est l'accélérateur Cockcroft-Walton, en forme de champignon et d'une hauteur d'environ 10 mètres, où les protons sont produits et pré-accélérés. Et le troisième est le grand accélérateur de protons, un accélérateur circulaire appelé cyclotron en langage de spécialistes, où les protons sont accélérés à 80% de la vitesse de la lumière. L'Injecteur 2, lui, se trouve entre les deux. Il s'agit d'un accélérateur circulaire plus petit – un cyclotron également. Sa tâche en tant que pré-accélérateur consiste à accélérer les protons à 38% de la vitesse de la lumière avant de les transférer au grand cyclotron. Les accélérateurs reposent donc les uns sur les autres, comme les vitesses d'une voiture. Le Cockcroft-Walton constitue la première vitesse: les protons y subissent une première accélération sur un tronçon tout droit; l'Injecteur 2 représente la deuxième vitesse: la vitesse des protons est augmentée au fil des orbites qu'ils parcourent; le grand cyclotron constitue la troisième vitesse: les protons y sont accélérés à la vitesse désirée, toujours au fil de nouvelles orbites.

Dans une première étape, les protons une fois produit sont conduits par un vide dans le Cockcroft-Walton pour éviter qu'ils n'entrent en collision avec des molécules d'air. La notion de vide ne veut pas dire qu'il s'agit d'un espace sans air, car de l'air, il en reste toujours un peu. Le vide peut avoir différentes qualités. Moins il y a de gaz dans le vide, plus la qualité de ce dernier est élevée. Au fil de leur parcours dans les trois installations, le vide autour des protons n'est pas partout exactement le même. Dans l'Injecteur 2, par exemple, le vide qui règne correspond à un milliardième de la pression atmosphérique, ce qui veut dire que sa teneur en gaz est extrêmement faible.

Chacun des trois accélérateurs possède sa propre halle. Celle où se trouve l'Injecteur 2 est pratiquement carrée, avec un plafond de 12 mètres de haut. Quant à l'accélérateur, il se présente sous la forme de quatre aimants turquoises et de quatre résonateurs argentés, tous à taille d'homme, qui sont disposés à partir d'un même centre. Vu d'en haut, cet agencement d'aimants et de résonateurs ressemble à un gâteau prédécoupé en parts dont les pointes auraient été taillées.

Les résonateurs produisent un champ électrique alternatif, par le biais duquel les protons sont successivement accélérés. Quant aux aimants, ce sont eux qui font orbiter 80 fois les protons autour du centre de l'injecteur. L'intensité du champ magnétique se modifie du centre vers l'extérieur, si bien que les protons qui commencent leur révolution au milieu mettent toujours le même temps pour effectuer une orbite, même si le rayon de cette dernière augmente constamment.

Dans l'accélérateur, le proton n'est pas tout seul

Dans l'accélérateur, les protons n'évoluent pas tout seuls. Ils se déplacent en petits groupes, respectivement en paquets. Comme les protons sont chargés positivement, ils se repoussent les uns les autres et, au fil de leur trajectoire, ils s'éloignent les uns les autres à l'intérieur de ce paquet jusqu'à ce qu'un important effet se produise: Avec le temps, le faisceau se concentre tout seul, explique Joachim Grillenberger, responsable de l'accélérateur de protons. Cela veut dire qu'au bout de 10 à 20 orbites, les groupes de protons s'assemblent et adoptent une forme sphérique qu'ils conservent ensuite.

Pour nettoyer le faisceau de protons dans l'Injecteur 2, on utilise des collimateurs. Ces composants sont en cuivre, la plupart du temps. Ils ont un passage et sont placés à certains endroits appropriés sur la trajectoire en spirale des protons. Seuls les protons qui se trouvent sur la trajectoire idéale réussissent à franchir le passage des collimateurs, alors que tous les autres protons sont absorbés par le cuivre.

Les trois voies qui s'ouvrent aux protons

Après son accélération dans l'Injecteur 2, trois voies s'offrent au faisceau de protons. Sa majeure partie est dirigée vers le grand cyclotron pour subir une nouvelle accélération. Les protons ainsi accélérés s'écrasent d'abord sur le dispositif cible composé de couches rotatives de carbone, afin de générer des pions et des muons. Les protons poursuivent leur trajet et entrent finalement en collision avec un bloc de métal, ce qui provoque l'apparition de neutrons. D'un côté, pions, muons et neutrons font directement l'objet de recherche, de l'autre ils aident les chercheurs à obtenir des informations sur la structure de certains matériaux. Une toute petite partie du courant de faisceau, environ 2%, est dirigée sur une deuxième voie. Ces protons produisent ensuite des radionucléides qui sont utilisés dans le développement de médicaments utilisés pour diagnostiquer le cancer. La troisième voie mène à un cul-de-sac au fond duquel les protons sont juste absorbés. C'est là que sont systématiquement dirigés les protons qui ne présentent pas les propriétés nécessaires pour les deux autres voies: ces protons sont soit trop lentes, soit trop rapides.

Un regard en arrière

Lorsque l'accélérateur de protons a été mis en service en 1974, il s'agissait avant tout de produire des pions avec des protons. A l'époque, on cherchait à utiliser les pions pour répondre à certaines questions dans le domaine de la physique des particules. Depuis, l'installation a été continuellement adaptée aux besoins de la science. A ses débuts, elle produisait un courant de faisceau de 100 microampères, ce qui était exceptionnellement élevé pour l'époque. Aujourd'hui, une quarantaine d'années plus tard, le courant de faisceau produit est 24 fois plus élevé, relève Joachim Grillenberger. Evidemment, ce n'est possible que parce que l'installation a été continuellement améliorée et développée. C'est grâce à cette amélioration continue que l'accélérateur de protons détient un record du monde depuis 1994: il est celui qui fournit le faisceau de protons le plus puissant.

Si l'on veut rester à la pointe de la technologie des accélérateurs, on ne peut pas se reposer sur ses lauriers, rappelle Joachim Grillenberger. L'Injecteur 2 fait partie de la chaîne de l'accélérateur de protons en trois étapes. Il doit lui aussi correspondre à l'état actuel de la technologie s'il veut continuer à satisfaire les exigences élevées en termes de performance et de fiabilité de fonctionnement. Actuellement, le chercheur dirige avec des collègues un projet qui vise à rendre l'Injecteur 2 encore plus performant: en 2018 et 2019, de nouveaux résonateurs vont être intégrés et toute la chaîne d'amplification sera remplacée. Ainsi, les particules seront accélérées encore plus rapidement et les protons qui se perdent lors du processus d'accélération seront moins nombreux. Cela améliorera la performance de toute l'installation. Les spécialistes des accélérateurs contribuent par ailleurs à la modernisation de la Source de neutrons à spallation SINQ, dont les neutrons sont produits à l'aide des protons issus de l'accélérateur.

Texte: Institut Paul Scherrer/Christian Heid