Reflets de la Physique n°59 sep/oct/nov 2018
Reflets de la Physique n°59 sep/oct/nov 2018
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°59 de sep/oct/nov 2018

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 48

  • Taille du fichier PDF : 6 Mo

  • Dans ce numéro : des gouttes qui s'éclatent.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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II – L’accélérateur » > Le nouvel accélérateur linéaire de SPIRAL2 est le fruit d’une collaboration entre plusieurs laboratoires français et étrangers [2]. L’une des principales caractéristiques de l’ensemble accélérateur est qu’il doit être capable d’accélérer des faisceaux d’ions légers (protons H + et deutons D +) tout autant que des ions lourds, dans des gammes d’énergie et d’intensité très larges, comme illustré dans le tableau 1. Un schéma de principe de l’accélérateur est donné dans la figure 3. Deux sources d’ions permettent la production, soit de faisceaux d’ions légers (protons, deutons constitués d’un proton et d’un neutron), soit de faisceaux d’ions « lourds » (de l’hélium jusqu’au nickel). Le premier étage d’accélération est constitué d’un quadripôle radiofréquence (RFQ), dont le rôle est de grouper les ions en paquets à la fréquence d’accélération et de réaliser une première accélération jusqu’à l’énergie permettant l’injection dans l’accélérateur suivant. Celui-ci, l’accélérateur linéaire (abrégé LINAC en anglais), est constitué de 26 cavités accélératrices élaborées par des laboratoires du CEA et du CNRS. Elles sont supraconductrices. Les ions légers sont produits par une source développée par l’IRFU/Saclay, qui permet de délivrer un courant de 5 mA d’ions H + ou D + de façon très stable. Pour permettre d’accélérer les ions lourds en utilisant le même RFQ, la source d’ions lourds, construite par le laboratoire LPSC/Grenoble, doit produire des ions de rapport charge-sur-masse inhabituellement élevé pour ce type de source (i.e. Q/A 1/3 jusqu’à A 60), tout en délivrant des intensités sans précédent. Le RFQ est une cavité en cuivre massif de 5 m de long. Les faisceaux d’ions passent au centre de quatre pôles électriques (fig. 4). L’oscillation à haute fréquence (88 MHz) de la cavité, associée à des ondulations sur l’extrémité des pôles, génère un potentiel électrique qui permet de focaliser le faisceau d’ions, le regrouper en paquets à la fréquence de la machine, et de l’accélérer lors de sa progression dans la cavité. L’énergie de sortie des ions est de 0,75 MeV/A (ce qui correspond, quel que soit A, à 4% de la vitesse de la lumière). 14 Reflets de la Physique n°59. : Source H + et D + Source ions lourds RFQ LINAC x 26.e.. Cavité accélératrice Vers aires expérimentales 3. Constitution de l’ensemble de production et d’accélération de SPIRAL2. Les faisceaux continus issus des deux sources d’ions sont mis en paquets par un quadripôle radiofréquence (RFQ), puis accélérés par le même accélérateur linéaire constitué de 26 cavités accélératrices en cascade. Les trapèzes en vert correspondent aux dipôles magnétiques qui permettent d’effectuer la sélection des ions en fonction de leur rapport charge-sur-masse. 4. Vue interne du quadripôle radiofréquence (RFQ) de SPIRAL2  : le faisceau d’ions passe au centre des quatre pôles. Faisceau H + D + Ions lourds Ions lourds (projet) Rapport charge/masse (Q/A) 1 1/2 1/3 1/6 à 1/7 Intensité maximum (mA) 5 5 Énergie minimum (MeV/A) 2 2 2 2 Énergie maximum E (MeV/A) 33 20 14,5 8 Puissance maximum du faisceau (kW) 165 200 44 48 Tableau 1. Principales caractéristiques des faisceaux qui seront accélérés dans le cadre du projet SPIRAL2. La production et l’accélération d’ions lourds de rapport charge-sur-masse égal à 1/6 ou 1/7 est en projet.
Les lignes de transport du faisceau, depuis les sources d’ions jusqu’aux salles d’expériences, sont constituées d’éléments magnétiques (dipôles, quadripôles, hexapôles...) destinés à guider et mettre en forme le faisceau, et de nombreux diagnostics qui permettent de s’assurer de sa bonne transmission (mesures de position, d’intensité, de phase...). Dans l’accélérateur linéaire, les ions préalablement rassemblés en paquets grâce au RFQ subissent des accélérations successives lors de leur passage dans des cavités. À la différence des cyclotrons qui enroulent les ions en spirale grâce à un champ magnétique pour leur permettre de passer plusieurs fois dans la même cavité accélératrice, les accélérateurs linéaires sont constitués d’une succession de cavités accélératrices dans lesquelles les ions ne passent qu’une seule fois. Si les cyclotrons ont donc généralement l’avantage d’être plus compacts et moins onéreux que les accélérateurs linéaires, ces derniers ont cependant un avantage déterminant sur les cyclotrons  : l’intensité du faisceau d’ions accéléré n’est pas limitée. Les intensités requises par les objectifs scientifiques de SPIRAL2 n’étaient pas compatibles avec les pertes inévitables à l’éjection d’un cyclotron. Le LINAC (photo p.11) est à la pointe de la technique mondiale. Il est le fruit de nombreuses études et optimisations. Il fonctionne en mode supraconducteur, ce qui permet aux cavités de produire un champ électrique accélérateur beaucoup plus important qu’une ancienne technologie non supraconductrice, tout en nécessitant une puissance d’onde à haute fréquence beaucoup plus faible. L’économie associée et les compétences des laboratoires partenaires du GANIL, spécialisés dans ce domaine, ont naturellement conduit le projet SPIRAL2 à opter pour cette technologie. Le choix des cavités supraconductrices s’est porté sur un ensemble de cavités « quart d’ondes » (QWR en anglais), fonctionnant toutes à 88 MHz et disposées dans des cryostats assez courts. L’ensemble constitué des cavités et du cryostat est appelé cryomodule. Ces cavités, fabriquées en niobium massif ultrapur, fonctionnent de façon optimale à une température absolue d’environ 4,5 K. Elles sont maintenues à cette température extrême grâce à une « usine cryogénique » assurant une III – Les expériences La salle NFS  : étudier les neutrons rapides et leur interaction avec la matière Les réactions induites par les neutrons sur les noyaux des atomes jouent un rôle très important en recherche fondamentale et sont utilisées dans de nombreuses applications  : fonctionnement des réacteurs nucléaires, production d’énergie par fusion, tests de résistance de composants électroniques aux radiations, production de radioéléments à usage médical, etc. Pour développer ces applications, les physiciens et ingénieurs emploient des codes de simulation utilisant des bases de données nucléaires. Les « sections efficaces » en font partie  : ces informations, très importantes, indiquent la probabilité, pour chaque noyau d’atome, qu’une réaction avec une particule incidente d’énergie donnée se produise. La validité des simulations dépend en partie de la qualité de ces données nucléaires. Dans de nombreux cas − réactions de fission, capture d’un neutron, production de particules légères (protons, noyaux d’hélium, neutrons, photons g), etc. − les sections efficaces sont inconnues, ou connues avec une précision insuffisante. Il existe notamment une forte demande de données pour les réactions induites par neutrons entre quelques MeV et 40 MeV, un domaine d’énergie que peu d’installations permettent de couvrir. C’est pourquoi le projet Neutrons for Science (NFS) a été initié [3]. Il s’agit de fournir aux expérimentateurs un outil permettant d’étudier les réactions induites sur des noyaux d’atomes par des neutrons de haute énergie (allant jusqu’à 40 MeV), avec des flux inégalés, une résolution en énergie et un rapport signal/bruit optimisés pour les expériences de physique nucléaire de grande précision. Avancées de la recherche circulation d’hélium liquide. Les cavités permettent d’atteindre des champs électriques de 6,5 MV/m. Les ions ainsi accélérés pourront atteindre jusqu’à 26% de la vitesse de la lumière, selon les besoins de la physique. Entre chaque cryomodule, une section fonctionnant à température ambiante permet la conduite et le diagnostic du faisceau. L’accélérateur est soumis à un ensemble d’exigences réglementaires en termes de sécurité et de sûreté, similaires aux exigences de conception des centrales nucléaires  : protection de l’environnement vis-à-vis des rejets et des rayonnements, pérennité des infrastructures en cas d’agression extérieure (chute d’aéronef ou séisme par exemple), limitation des risques pour les travailleurs, etc. Le respect de ces exigences a eu des conséquences très importantes lors de la construction  : du bâtiment simple requis pour abriter le procédé, il a été nécessaire de passer à la construction d’un bâtiment « nucléarisé », dont les murs remplissent des fonctions de protection biologique, de résistance au feu, de tenue au séisme et de confinement. NFS est composé de deux salles séparées par un épais mur de béton, dans lequel s’insère un collimateur (fig. 5). Les neutrons sont produits dans la première salle, dite « salle du convertisseur ». Une partie de ces neutrons traverse le collimateur, produisant ainsi un faisceau disponible dans la seconde salle, dite « salle de temps de vol ». Les neutrons sont générés par l’interaction des faisceaux de protons ou de deutons accélérés par le LINAC avec un convertisseur. Un faisceau de deutons interagissant avec un convertisseur épais (8 mm) en béryllium ou en carbone permet de produire des neutrons avec un spectre en énergie continu, s’étendant de 100 keV à 40 MeV, et un flux disponible de 5.10 11 n/cm 2/s en aval du convertisseur et de 5 10 7 n/cm 2/s dans la salle de temps de vol, soit près d’un facteur 100 supérieur aux installations existantes entre 10 et 20 MeV. L’utilisation d’un faisceau de protons et d’un convertisseur mince (1 mm) en lithium permet » > Reflets de la Physique n°59 15



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