En tant que blocs de construction fondamentaux de la matière, les protons font partie de tout ce qui nous entoure. A l'Institut Paul Scherrer PSI, cependant, ils sortent de leur rôle habituel et sont déployés pour générer d'autres particules, à savoir les neutrons et les muons, qui sont ensuite utilisés pour étudier les matériaux. Dans ce but, les protons doivent d'abord être accélérés. Un rôle important à cet égard est joué par une installation d'accélérateur à trois étages, au milieu duquel se dresse l'accélérateur dit Injecteur 2.

Trois accélérateurs disposés en série constituent l'installation d'accélération des protons au PSI :accélérateur Cockcroft-Walton d'environ 10 mètres de haut, dans lequel les protons sont générés et pré-accélérés. Il se termine par le grand accélérateur de protons, un accélérateur en anneau, qui dans le jargon technique s'appelle un cyclotron. Ici, les protons sont accélérés à 80 % de la vitesse de la lumière. Entre les stands Injecteur 2, un accélérateur annulaire plus petit, également classé comme cyclotron. Son travail en tant que pré-accélérateur est de fournir des protons au grand cyclotron avec 38% de la vitesse de la lumière. Comme les engrenages d'une automobile, les accélérateurs s'appuient les uns sur les autres consécutivement. Considérez Cockcroft-Walton comme la première vitesse :les protons obtiennent une accélération initiale le long d'un tronçon rectiligne. Injecteur 2, deuxième vitesse :la vitesse des protons augmente au fur et à mesure qu'ils circulent autour de l'anneau. Le grand accélérateur, troisième vitesse :encore en train de tourner en rond, les protons sont amenés à la vitesse finale souhaitée. Comme pour conduire une voiture, vous ne pouvez tout simplement pas vous passer de la première et de la deuxième vitesse.

Une fois les protons générés, ils sont guidés à travers un vide à l'intérieur du Cockcroft-Walton afin qu'ils ne heurtent pas les molécules d'air. Ici, le vide ne signifie pas simplement une chambre sous vide, car il reste toujours un peu d'air. Un aspirateur peut avoir une qualité variable - meilleur est le vide, moins il contient de gaz. Le vide entourant les protons n'est pas exactement de la même qualité partout lorsqu'ils traversent les trois installations. Le vide maintenu dans l'injecteur 2, par exemple, correspond à un milliardième de pression atmosphérique; en d'autres termes, seules de très petites traces de gaz sont présentes.

Chacun des trois accélérateurs est logé dans son propre hall. A première vue, L'injecteur 2 apparaît dans ses 12 mètres de haut, pièce presque carrée, sous forme d'aimants de couleur turquoise alternés, quatre en tout, et quatre résonateurs argentés – tous à peu près aussi grands qu'un homme – qui sont alignés radialement. D'en haut, cet arrangement d'aimants et de résonateurs ressemble à un gâteau déjà coupé en portions, avec les pointes des tranches coupées.

Les résonateurs produisent un champ électrique alternatif par lequel les protons sont de plus en plus accélérés. Et les aimants assurent que les protons circulent 80 fois autour du centre de l'injecteur. Le champ magnétique varie du milieu vers l'extérieur de telle sorte que les protons, qui commencent leur circulation à l'intérieur, ont toujours besoin du même temps pour boucler un tour, même si le chemin qu'ils empruntent est de plus en plus long.

Dans l'accélérateur, aucun proton ne fait cavalier seul

Les protons ne sont pas solitaires dans l'accélérateur. Ils voyagent en petits groupes ou en groupes. Puisque les protons portent une charge électrique positive, ils se repoussent et, le long de leur trajectoire, éloignez-vous les uns des autres au sein de ce groupe jusqu'à ce qu'un effet important s'installe :Avec le temps, selon Joachim Grillenberger, responsable de l'exploitation de l'installation de protons, le faisceau se focalise. Cela signifie qu'après dix ou vingt tours de piste, les groupes de protons se regroupent et prennent la forme d'une boule, qu'ils retiennent ensuite.

Pour régler le faisceau de protons dans l'injecteur 2, des collimateurs sont utilisés. Ces composants sont principalement en cuivre, avoir une ouverture, et sont positionnés à des endroits appropriés le long de la trajectoire en spirale des protons. Seuls les protons qui se déplacent sur la trajectoire idéale passent par l'ouverture des collimateurs, et tous les autres protons sont absorbés par le cuivre.

Les trois chemins des protons

Après avoir été accéléré dans l'injecteur 2, trois chemins sont ouverts au faisceau de protons. La plus grande partie du faisceau de protons est guidée vers une accélération supplémentaire dans le grand cyclotron. Les protons accélérés ont d'abord frappé un dispositif cible constitué de disques de carbone en rotation, générer des pions et des muons dans le processus. Puis ils continuent leur chemin, entrant finalement en collision avec un bloc métallique pour produire des neutrons. Tandis que les pions, muons, et les neutrons sont eux-mêmes au cœur de la recherche, ils aussi, d'autre part, aider les chercheurs à mieux comprendre la composition des matériaux. Une très petite partie du courant de faisceau, environ deux pour cent, peuvent être envoyés sur une deuxième voie immédiatement après l'injecteur 2. Ces protons produisent ensuite des radionucléides qui sont utilisés dans le développement de produits pharmaceutiques. Ces médicaments sont utilisés dans le diagnostic du cancer. Le troisième chemin mène à une impasse où les protons sont simplement absorbés. Les protons sont toujours canalisés de cette façon s'ils n'ont pas les propriétés appropriées pour les deux autres chemins :Les protons sont, dans ce cas, soit trop lent, soit trop rapide.

Regarder en arrière

Lorsque l'installation de protons a commencé à fonctionner en 1974, l'objectif principal était d'utiliser les protons pour générer des pions. On pensait que les pions aideraient à répondre aux questions d'alors en physique des particules. Depuis cette époque, l'installation a été adaptée à maintes reprises pour répondre aux besoins de la science. Au début, l'installation a produit un courant de faisceau de 100 microampères, extraordinairement élevé pour les conditions de l'époque. Joachim Grillenberger :Aujourd'hui, environ 40 ans plus tard, un courant de faisceau 24 fois plus élevé peut être généré. Naturellement, cela n'est possible que parce que l'installation était toujours en cours d'amélioration et de développement. L'amélioration constante a permis d'établir un record mondial pour l'installation de protons qu'elle détient depuis 1994 :elle fournit le faisceau de protons le plus puissant au monde.

Pour rester à la pointe de la technologie des accélérateurs, vous ne pouvez pas vous reposer sur vos lauriers. L'injecteur 2 est un maillon de la chaîne de l'installation d'accélérateur de protons à trois étages. Il doit également être toujours à la pointe de la technologie pour continuer à répondre aux exigences élevées de performance et de fiabilité opérationnelle, dit Joachim Grillenberger. Maintenant, avec des collègues, il dirige un projet qui rendra Injector 2 encore plus performant :en 2018 et 2019, de nouveaux résonateurs seront installés, et toute la chaîne d'amplification sera modernisée. Par conséquent, les particules seront accélérées dans un laps de temps encore plus court et moins de protons seront perdus dans le processus d'accélération, augmentant ainsi les performances de l'ensemble de l'installation. Ainsi les experts de l'accélérateur contribuent également à la modernisation de la source de neutrons de spallation SINQ, qui s'appuie sur les protons de l'installation de l'accélérateur pour générer ses neutrons.