Accélérateur de particules à l'Institut de physique de l'Université de Sao Paulo. Crédit :IFUSP
L'utilisation des accélérateurs de particules ne se limite pas à la recherche fondamentale en physique des hautes énergies. Des accélérateurs à grande échelle et des instruments gigantesques tels que le Large Hadron Collider (LHC) sont utilisés à cette fin, mais des accélérateurs relativement petits sont utilisés en médecine (imagerie diagnostique, traitement du cancer), l'industrie (stérilisation alimentaire, numérisation de fret, ingénierie électronique), et divers types d'enquêtes (prospection pétrolière, prospection archéologique, analyse d'œuvres d'art).
Quelle que soit l'utilisation, contrôler le chaos et augmenter l'efficacité du flux de particules sont les objectifs de la communauté scientifique dans ce domaine.
Un article décrivant une nouvelle contribution dans cette direction a récemment été publié dans la revue Physique des plasmas de Meirielen Caetano de Sousa, un étudiant postdoctoral boursier de la São Paulo Research Foundation—FAPESP travaillant à l'Institut de physique de l'Université de São Paulo (IF-USP) au Brésil, et son superviseur Iberê Luiz Caldas, Professeur ordinaire à IF-USP.
"Nous avons réalisé une étude théorique avec modélisation et simulation numérique pour étudier les moyens de contrôler le chaos à l'intérieur des accélérateurs et d'augmenter la vitesse maximale des particules accélérées, " dit Sousa.
Les auteurs ont conçu un mécanisme basé sur le déploiement d'une barrière de transport pour confiner les particules et les empêcher de se déplacer d'une région de l'accélérateur à une autre. Ce procédé n'a pas encore été mis en œuvre dans les accélérateurs ordinaires mais est utilisé dans les tokamaks (réacteurs toroïdaux expérimentaux utilisés dans la recherche sur la fusion nucléaire), où le plasma surchauffé est empêché par le confinement des particules d'interagir avec les parois du dispositif.
« Dans les tokamaks, la barrière de transport est obtenue au moyen d'électrodes insérées dans le bord du plasma pour modifier le champ électrique. Cela n'a pas encore été fait dans les accélérateurs, où la solution habituelle est d'ajouter une onde électrostatique avec des paramètres bien définis au système, ", a déclaré le chercheur.
"Lorsque l'onde interagit avec les particules, il contrôle le chaos dans le système mais crée de multiples barrières qui ne scellent pas la région aussi précisément. C'est une solution moins robuste. Dans notre étude, nous avons modélisé un système avec une seule barrière le long de lignes similaires à ce qui se passe dans les tokamaks."
Cette seule barrière robuste serait produite par une perturbation magnétique résonante. En réponse au PGR, le plasma est confiné à une seule région.
L'image compare les trajectoires des particules sans (à gauche) et avec (à droite) la présence de la barrière de transport. L'axe vertical est proportionnel à l'énergie des particules dans l'accélérateur. Les points bleus sur la figure de gauche représentent les trajectoires possibles des particules. L'énergie augmente et diminue de façon irrégulière ou chaotique. Lorsque la barrière de transport est introduite, toutes les trajectoires deviennent régulières (mauve, lignes rouges et vertes). Toutes les particules dans l'accélérateur peuvent être amenées à avoir une énergie similaire, améliorer l'efficacité du faisceau de particules. Crédit :Meirielen Caetano de Sousa et Iberê Luiz Caldas (IFUSP)
"Nous avons créé le modèle et l'avons décrit mathématiquement. Les simulations numériques ont montré que cela fonctionnait. La prochaine étape consiste à soumettre la proposition à des physiciens expérimentateurs qui peuvent la tester en pratique, " dit Sousa.
Les particules sont générées par un canon à électrons du fait de la différence de potentiel entre l'anode et la cathode ou en appliquant une impulsion laser au plasma. Ils sont accélérés par des injections successives d'énergie à partir d'ondes électromagnétiques. L'interaction entre les ondes et les particules crée le chaos. Une solution testée expérimentalement dans des accélérateurs consiste à ajouter une autre onde avec des paramètres ajustés pour compenser le processus chaotique.
« Cela a été discuté dans un article précédent publié en 2012 dans Examen physique E . La méthode fonctionne, mais comme indiqué, il crée de multiples barrières de transport susceptibles d'être perturbées, rendant le confinement des particules moins efficace. Dans cette dernière étude, nous avons modélisé une solution basée sur une seule barrière robuste, qui continue d'exister même en présence de fortes perturbations, " dit Sousa.
Substitution de radio-isotopes
La barrière de transport contrôle le chaos, permettant à la vitesse maximale des particules d'augmenter et de réduire la vitesse initiale requise. Pour une onde de faible amplitude, la vitesse finale simulée a augmenté de 7 %, et la vitesse initiale a chuté de 73 pour cent.
Pour une onde de plus grande amplitude, le système s'est avéré chaotique sans la barrière mais s'est régularisé avec la barrière. La vitesse finale a augmenté de 3 pour cent, et la vitesse initiale a chuté d'environ 98 pour cent. Ceci montre que la contribution principale de la barrière de transport est une réduction de la vitesse initiale requise pour les particules lorsqu'elles sont injectées dans l'accélérateur.
"Ce qu'on attend d'un accélérateur, c'est que toutes les particules arrivent ensemble à la fin sans s'égarer en route, et avec plus ou moins la même énergie et la même vitesse. S'ils se comportent de manière chaotique, ça n'arrive pas, et le faisceau n'est d'aucune utilité pour aucune application, " dit Caldas.
« L'émission de particules à usage médical ou industriel repose encore majoritairement sur l'utilisation de matières radioactives. Cela pose un certain nombre de problèmes, comme la pollution, décroissance du matériau émetteur nécessitant un réapprovisionnement, et coût élevé. Les accélérateurs évitent ces problèmes et remplacent partiellement les radio-isotopes. D'où le fort intérêt pour l'optimisation du fonctionnement des accélérateurs, " a déclaré le responsable de la subvention FAPESP.
