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Info messageCeci est un texte de l'archive des communiqués de presse du PSI. Le contenu peut être obsolète.
Il date des années 1980, mais il est toujours aussi fiable
L'origine du faisceau de protons au PSI est un accélérateur linéaire au look rétro. Ce modèle charismatique est baptisé Cockcroft-Walton, du nom de l'inventeur du principe. Depuis 1984, il fournit la première étape d'accélération des protons, qui sont ensuite amenés dans l'accélérateur circulaire à une vitesse équivalant à 80% de la vitesse de la lumière. Depuis des décennies, c'est ici qu'est généré un faisceau de protons remarquable qui, grâce à des améliorations continues, détient même depuis 1994 le record du monde du faisceau le plus performant.
Il y a dans l'air un sifflement sonore, douloureusement aigu, mais dont Joachim Grillenberger ne paraît pas se formaliser.
Ce sont les pompes turbomoléculaires pour le vide, explique-t-il, détendu. Ce bruit, le grand physicien dégingandé en est coutumier. Il y a dix ans, Joachim Grillenberger a abandonné la recherche sur les semi-conducteurs. Depuis, il est chef de section et coordinateur de l'accélérateur de protons, et guide régulièrement des écoliers et d'autres groupes de visiteurs dans l'antichambre du Cockcroft-Walton.
Le Cockcroft-Walton est un accélérateur linéaire, vieux de 30 ans, et avec un peu d'imagination, on lui trouve, à lui aussi, quelque chose de dégingandé. Il se dresse derrière une paroi vitrée, dans sa propre halle, tout en hauteur, comme un mélange de tour d'observation et de décor de vieux film de science-fiction : avec ses condensateurs argentés en forme de donuts, reliés les uns aux autres par un zigzag de diodes oranges en forme de barres.
Ces diodes forment une voie à sens unique vers le haut pour l'accumulation de charge, explique Joachim Grillenberger. Chacune des barres orange est constituée à l'intérieur de quelque 200 diodes individuelles, soudées les unes aux autres. Cela génère une cascade de tension : une tension toujours plus élevée est enrichie de condensateur en condensateur, jusqu'à la coupole qui trône tout en haut, où la charge positive est extrême. Ou encore, comme dit Joachim Grillenberger :
La tension est peu à peu poussée vers le haut.
Plus âgé que le PSI
La construction est ancienne, solide, et le Cockcroft-Walton un modèle extrêmement fiable :
Il a presque quelque chose de mécanique, relève Joachim Grillenberger d'un air pensif. La redondance issue de 200 diodes individuelles dans chaque barre fait que si l'une ou l'autre dans le conglomérat tombe en panne, cela ne perturbe pas la fonction de la barre. Au cours des dix dernières années, il n'a ainsi fallu en changer qu'à une seule reprise, et les constructeurs du Cockcroft-Walton avait même anticipé ce cas de figure : quelques barres supplémentaires avaient déjà été réalisées à l'époque, et la plupart d'entre elles attendent toujours d'être utilisées. Aujourd'hui, personne de ne souderait de son plein gré 200 diodes juste pour avoir des réserves.
L'accélérateur de protons est entré en service en 1974. En 1984, dix ans plus tard exactement, c'était au tour de l'ensemble de l'installation accélératrice, agencée autour du Cockcroft-Walton. Cette installation est donc plus âgée que le PSI. A l'époque, elle était en effet la propriété de l'Institut suisse de recherches nucléaires.
Un bassin de retenue pour la charge
Après ce rappel historique, il faut pencher la tête en arrière pour contempler la coupole massive, argentée elle aussi, du Cockcroft-Walton. Cette coupole est le bassin de retenue pour la charge positive. 810 kilovolts y sont stockés. Et comme avec les autres bassins de retenue, ici aussi, cette énergie est relâchée de manière contrôlée.
Depuis la coupole, une liaison mène au dôme, qui vu de dehors, ressemble à une grosse caisse argentée. C'est là qu'est logée la source du faisceau de protons, dans un cube de la taille d'un carton à chaussure. Cette source est un petit récipient en céramique, pas plus grosse qu'une tasse à espresso. Elle contient de l'hydrogène gazeux, irradiée par des micro-ondes, qui pèlent les atomes d'hydrogène de leurs électrons, pour ne laisser plus que les noyaux, constitués d'un seul proton. Et c'est là que les 810 kilovolts du Cockcroft-Walton entrent en jeu. Les protons sont exposés à cette tension électrique et accélérés de la sorte. Ils atteignent ainsi une vitesse de 46 millions de kilomètres par seconde, ce qui correspond à 4% de la vitesse de la lumière.
La première poussée
Mais le Cockcroft-Walton n'imprime que la première poussée aux protons. Au final, le faisceau de protons du PSI atteint une vitesse équivalente à 80% de celle de la lumière. Tout cela est rendu possible grâce à deux autres accélérateurs, qui se dressent chacun dans leur propre halle. D'abord un cyclotron préaccélérateur – l'Injecteur 2 –, qui accélère les protons à 72 mégavolts, et enfin le cœur de l'installation, le grand cyclotron (accélérateur circulaire), où les protons sont exposés à une tension de 590 mégavolts en tout.
Pour finir, les protons sont si rapides qu'ils pourraient faire en une seconde six fois le tour de la Terre, poursuit Joachim Grillenberger. Un faisceau de protons de tous les superlatifs.
Il n'en a pas toujours été ainsi. En 1974, à ses tout débuts, l'installation accélératrice était nettement moins performante. Le nombre de protons contenus dans le faisceau, notamment, a été peu à peu augmenté depuis. Grâce à cela, l'accélérateur de protons affiche aujourd'hui une performance 24 fois plus importante qu'au moment de sa mise en service. Depuis 1994 déjà, l'installation fournit le faisceau de protons le plus performants du monde, avec beaucoup de protons ultra-rapides. D'autres améliorations lui ont permis d'établir chaque fois son un nouveau record du monde. Entre-temps, la puissance du faisceau est de 1,3 mégawatts, mais Joachim Grillenberger traduit volontiers cela en langage automobile : c'est une puissance qui équivaut à 1750 chevaux.
Les huit aimants de l'accélérateur principal, eux, étaient là depuis le début. Ils sont si immenses, qu'à côté des scientifiques on dirait de gros dinosaures turquoise. Même si, avec un poids d'environ 250 tonnes, chacun de ces aimants pèse l'équivalent de 50 stégosaures. Mais cette comparaison de taille ne peut être observée qu'en photo : pendant l'exploitation, la halle du cyclotron doit être scellée, car les protons rapides rendent radioactifs les atomes qu'ils heurtent.
Une balançoire qui monte, qui monte
Entre les huit aimants dinosaures se trouvent quatre cavités. Même si ce sont surtout les aimants qui retiennent l'attention, ils ne servent qu'à maintenir sur leur orbite les protons en train de foncer. Cette orbite passe par une fente horizontale, à travers tous les aimants et toutes les cavités. Or ce sont les cavités qui effectuent le véritable travail : c'est là que les protons sont accélérés. Dans chacune d'elles, soit à quatre reprises par tour, chaque proton se voit imprimer une poussée supplémentaire, due à une tension alternative, ce qui suppose que proton et tension doivent être parfaitement réglés l'un par rapport à l'autre. Comme avec une balançoire, où une poussée supplémentaire n'est utile qu'au point de bascule.
Seulement, dans le cyclotron circulaire, les protons gagnent de plus en plus en vitesse, ce qui pourrait perturber la poussée. Mais là, la solution est si simple qu'elle pourrait aussi être qualifiée de mécanique : plus un proton fonce rapidement sur une orbite circulaire, plus la force centrifuge à laquelle il est soumis est importante. La force centrifuge attire la particule vers l'extérieur de son orbite. Celle-ci doit donc effectuer maintenant un trajet plus long, puisqu'elle se trouve pour ainsi dire sur la courbe extérieure. Ce principe se joue de manière continue. Chaque proton démarre sur une orbite serrée et effectue ensuite 186 tours en tout, sur une trajectoire en spirale, où l'orbite est chaque fois plus grande. Grâce à cet effet de spirale, les protons rapides qui parcourent un trajet plus long restent à la même hauteur que ceux qui sont plus long lents qu'eux – vu d'en haut, cela doit ressembler aux rayons d'un vélo. Ainsi, toutes les particules peuvent être accélérées et accélérées encore avec la même tension alternative.
Juste un stade préliminaire et juste pour certains traitements
Pour finir, 99,99% des protons les plus rapides – un score dû à des optimisations menées sur des années – sont extraits du cyclotron. Mais pour la recherche, il n'y a pas que la vitesse et le nombre de protons qui comptent : la qualité du faisceau est décisive. Presque chaque composant des trois accélérateurs y contribue. Or, si ces derniers ne sont pas parfaitement ajustés les uns par rapport aux autres, le faisceau de protons obtenu évoque davantage la lumière diffuse d'une ampoule électrique.
Alors qu'un bon faisceau, c'est comme un rayon laser : compact et ciblé, détaille Joachim Grillenberger.
Ironie de toute l'affaire : au PSI, on ne s'intéresse absolument pas aux protons. Pendant longtemps, ils ont encore été utilisés par la médecine : on s'en servait pour traiter certaines tumeurs profondes dans le cadre de la thérapie protonique. Mais celle-ci dispose entre-temps d'un petit accélérateur au PSI. Aujourd'hui, pour les chercheurs, les protons ne représentent qu'un stade préliminaire. Ils servent à s'écraser sur des cibles – des pièces de plomb ou de carbone –, qui leur arrachent des neutrons et produisent des muons : or seuls les neutrons et les muons, qui sont des particules secondaires, sont utilisés pour des expériences. On s'en sert soit pour étudier directement les particules lors de la désintégration du muon, soit comme minisondes dans le cadre de formes hypercomplexes de microscopie. Les muons sont employés pour comprendre certains matériaux technologiques nouveaux. Et les neutrons servent à inspecter des objets d'art préhistoriques. Près d'un millier de chercheurs viennent chaque année au PSI pour mener des expériences au moyen de particules secondaires du faisceau de protons.
Le métier de Joachim Grillenberger est lui aussi frappé d'une certaine ironie : il n'a affaire à ceux pour lesquels il travaille que si au final, quelque chose tourne mal.
Les chercheurs ne viennent me voir que si le faisceau n'est pas comme il devrait, dit-il avec un sourire compréhensif. Et c'est bien entendu pour se plaindre. Mais Joachim Grillenberger est manifestement encore plus fiable que le Cockcroft-Walton. Car il est arrivé qu'à l'inconfort de ce genre de rencontre succède une conversation agréable, d'où ont fusé des idées pour de futures expériences communes. Joachim Grillenberger fait donc encore de temps en temps quelques incursions dans la recherche. Il y a toujours du sang de chercheur en lui.
Texte : Laura Hennemann