Genève, Le lac Léman et l'accélérateur de particules LHC en service au CERN. Les futurs accélérateurs de particules CLIC et FCC sont représentés en pointillés. Crédit :Google Earth
Au nom du CERN, des chercheurs de l'ETH Zurich ont développé un appareil de haute technologie pour la production de données extrêmement précises, impulsions haute tension qui pourraient être utilisées dans la prochaine génération d'accélérateurs de particules.
L'utilisation la plus connue des impulsions haute tension est dans les clôtures électriques dans les fermes. Cependant, les accélérateurs de particules dans les installations de recherche à grande échelle telles que le CERN à Genève reposent également sur des générateurs d'impulsions à haute tension - mais ceux-ci produisent des impulsions avec des énergies et des tensions beaucoup plus élevées que celles utilisées dans les clôtures agricoles. Des travaux préparatoires sont actuellement en cours au CERN pour le prochain projet de recherche à grande échelle à partir de 2025. L'un des deux projets potentiels est la construction d'un accélérateur linéaire de 50 kilomètres de long dans un tunnel allant de Nyon aux gorges de la vallée du Rhône près de Bellegarde en France (projet CLIC, voir encadré). Des chercheurs de l'ETH Zurich ont développé un générateur d'impulsions requis pour cet accélérateur dans le cadre d'un accord de collaboration avec le CERN. Il y a quelques jours, des prototypes ont été livrés au CERN, où ils seront désormais mis à l'épreuve.
Le générateur d'impulsions, qui occupe environ trois mètres cubes, produit des impulsions de 180, 000 volts du réseau public de 400 volts, qui durent exactement 140 millionièmes de seconde. Pour s'assurer que l'alimentation publique est chargée de manière uniforme et n'est pas perturbée par des impulsions de pointe, 8 gros et près de 200 petits condensateurs (dispositifs de stockage d'énergie temporaires) dans le générateur d'impulsions sont chargés et déchargés en continu 50 fois par seconde. Un transformateur spécialement développé garantit que la tension de sortie requise est atteinte aussi rapidement et efficacement que possible.
Plusieurs centaines d'étapes d'accélération
Le futur projet de recherche potentiel à grande échelle au CERN inclura l'accélération d'électrons et de positons (antiparticules d'électrons). "Cette accélération aura lieu dans un klystron, qui s'appuie sur les impulsions haute tension fournies par le générateur d'impulsions, " explique Jürgen Biela, Professeur de systèmes électroniques haute puissance à l'ETH Zurich. Les impulsions longues de 140 microsecondes sont utilisées dans le klystron pour produire un champ alternatif à très haute fréquence. Des électrons ou des positons sont accélérés dans ce champ alternatif.
Au cours de ses recherches doctorales au laboratoire de Biela, Sebastian Blume a joué un rôle clé dans le développement du générateur d'impulsions. Crédit :ETH Zurich / Peter Rüegg
Si l'accélérateur CLIC est construit, plus d'un millier de klystrons seront nécessaires pour accélérer les électrons et les positons par étapes jusqu'à ce qu'ils approchent de la vitesse de la lumière. Chaque klystron serait alimenté par son propre générateur d'impulsions.
Mesure en temps réel pour une efficacité maximale
L'un des plus grands défis pour les chercheurs de l'ETH était de construire le générateur d'impulsions de manière à ce que les impulsions produites soient toutes de longueur et de magnitude égales avec une tolérance relative ne dépassant pas le cent millième. De plus, Le CERN a précisé que la tension pour chaque impulsion devrait passer de 0 volt à 180, 000 volts et retour extrêmement rapidement. Pour y parvenir, l'appareil mesure le flux de courant cent mille fois par seconde et le contrôle en temps réel.
"Si le saut de pouls était plus lent, plus de puissance inutilisée serait transmise au klystron, ce qui réduirait l'efficacité énergétique du générateur d'impulsions, " explique Sebastian Blume. Au cours de sa recherche doctorale au laboratoire de Biela, il a joué un rôle clé dans le développement du générateur d'impulsions. L'efficacité est donc un facteur central, car l'équipement consomme des quantités d'énergie relativement élevées :la puissance d'un générateur d'impulsions est plus de cent fois celle d'une machine à laver ou d'un gros aspirateur.
Le professeur Biela de l'ETH a déjà joué un rôle clé dans le développement de générateurs d'impulsions pour le SwissFEL, la source de rayonnement synchrotron mise en service il y a quelques mois à l'Institut Paul Scherrer, dans le cadre d'un projet commun avec l'entreprise suisse d'électrotechnique Ampegon.
Le générateur d'impulsions dans le laboratoire de l'ETH peu de temps avant d'être transporté à Genève. Crédit :ETH Zurich / Peter Rüegg
Accélérateur linéaire ou accélérateur annulaire plus grand ?
Il est prévu que l'accélérateur de particules LHC (Large Hadron Collider) du CERN fonctionnera jusqu'en 2035 ou 2040. Au-delà, les discussions portent actuellement sur deux possibles programmes de recherche à grande échelle qui sont en concurrence l'un avec l'autre. Le CERN doit décider lequel installer dans les trois prochaines années.
Le projet CLIC (Compact Linear Collider) utilise un tunnel de 50 kilomètres de long pour accélérer les électrons d'un bout et les positons de l'autre jusqu'au milieu du tunnel où ils entrent en collision les uns avec les autres. L'utilisation de ce type d'accélérateur linéaire permet de mesurer des particules élémentaires comme le boson de Higgs beaucoup plus précisément qu'il n'est actuellement possible avec le LHC, ou serait possible avec l'autre futur projet en discussion, le FCC (Future Circular Collider).
Un anneau d'accélération d'une circonférence de 80 à 100 kilomètres est actuellement en discussion pour le projet FCC. Par comparaison, le LHC a une circonférence de 27 kilomètres. L'énergie de collision dans le FCC serait sept fois supérieure à celle obtenue dans le LHC. Par rapport au projet CLIC, cela a l'avantage de fournir une meilleure plate-forme pour la découverte de nouveaux effets et particules fondamentaux.
