Alain Bouquet - Les instruments

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Sources

Alphas

Radium 226 [4.9 MeV] et Radon 222 [5.6 MeV]

Polonium 210 [RaF alphas 5.4 MeV sans rayonnement parasite].

Polonium : intérêt scientifique majeur = source pure d’alphas car le Po 210 n’a pas d’autre mode de transmutation et le noyau résultant est stable (Pb 206)

Électrons

Bêtas mais énergie continue, donc non contrôlée

Rayons X

Rayons gammas

[Th C’’ = Tl 208, gammas de 2.6 MeV]

Inconvénients

• intensité faible (le plus souvent quelques mCi = 3.7x10⁷ Bq)
• énergie limitée à quelques MeV
• pour aller plus loin, rayons cosmiques ou accélérateurs

Cibles et absorbants

Feuilles métalliques très minces (les alphas sont facilement absorbés) d’aluminium, ou d’or [~100 nm]

Gaz raréfiés, ou sous pression : hydrogène, azote, fluor, argon, etc.

Écrans de plomb ou de cuivre (absorbant), ou de paraffine (cible)

Accélérateurs éléectrostatiques

L’idée d’accélérer des protons ou des alphas par un champ électrique est très vite venue à l’esprit des physiciens nucléaires. Dès qu'il eut réussi à induire des transmutations nucléaires en 1919 par bombardement d'alphas, Rutherford ressentit le besoin de faisceaux d'alphas d'énergie et d'intensité très supérieures pour surmonter la barrière coulombienne. Mais le calcul simpl(ist)e de l'énergie requise la situait dans la gamme des centaines de MeV, ce qui parut hors de portée avant longtemps. De plus, même si des tensions de plusieurs centaines de millions de volts pouvaient être générées, les maintenir représentait un défi technique insurmontable avec tous les risques de « claquages » et d'ionisation de l’air.

La situation changea en 1928 avec la découverte de l’effet tunnel (Gamow) et surtout quand les physiciens réalisèrent qu’il pouvait fonctionner de l’extérieur vers l’intérieur du noyau. Dans ce cas, des énergies de 500 keV suffiraient peut-être. C'est inférieur aux énergies des alphas de la radioactivité (E ~ 5 MeV) mais les flux pouvaient être beaucoup plus intenses. Le gros intérêt des accélérateurs (tel que perçu vers 1930 en tout cas) était plus d’atteindre des flux beaucoup plus importants que des énergies plus élevées qu’avec des sources radioactives. mais une énergie plus élevée serait évidemment un bonus important!

Accélération par un champ électrique

Particule de charge e et de masse m dans un champ électrique E

→ force F = e E → énergie acquise sur une distance d : Ec = F d = e E d = e V indépendante de la masse m et de la distance d parcourue mais directement proportionnelle à la différence de potentiel V . D’où la mesure des énergies par particule en électron-volts (eV)

☞ recherche de très hautes tensions [~ million de volts]

Cockroft-Walton

John Cockroft

Ernest Walton

Sous l'impulsion initiale de Rutherford, et après la mise en évidence par Gamow de l'effet tunnel en 1928, Cockroft et Walton parvinrent immédiatement à accélérer des protons jusqu'à 200 keV ave cun simple tube à décharge et un transformateur de 200 kV. Mais l'effet tunnel se révéla bie trop faible pour que leurs protons aient un effet, et ils décidèrent d'atteindre de plus hauts voltages.

Cokcroft et Walton, les « briseurs d’atomes »

Cockroft et Walton eurent l'idée de charger des capacités en chaîne avec leur transformateur de 200 kV, en utilisant des diodes comme interrupteurs: l’ouverture et la fermeture des circuits en S transfèrent les charges de la capacité K3 à la capacité K1 via les capacités X, permettant d’atteindre des différences de potentiel de plusieurs centaines de milliers de volts.

En 1932, ils pouvaient ainsi accélérer des protons dans un tube à vide de 2m60 sous un potentiel de 800 kV. Ils s'efforçaient sans cesse d'améliorer les performances de leur accélérateur, perdant un peu de vue l'objectif scientifique de leur effort, ce qui leur attira cet ultimatum de Rutherford : « Arrêtez de jouer, faites de la physique ! »

John Cockcroft, Ernest Rutherford et Ernest Walton au Cavendish Lab ©AIP

Cockroft et Walton plaèrent une cible de lithium sous le faisceau de protons, et ils observèrent la dissociation en deux particules alpha, soit la réaction lithium 7 + proton → 2 héliums 4. Le nombre d’α augmentait rapidement avec l’énergie des protons (de 100 à 500 keV) ⇔ franchissement plus facile de la barrière coulombienne

Réaction lithium 7 + proton → 2 héliums 4

Un Cockroft-Walton de 1 MeV utilisé comme premier étage d’accélération au Laboratoire national de Brookhaven ©BNL

Accélérateur Van de Graaf

Robert van de Graaf (1901-1967) reçut une bourse Rhodes en 1925 lui permettant d'aller passer 4 ans à Oxford où il reçut son doctorat en 1928. Il y entendait parler des idées du groupe de Rutherford à Cambridge pour accélérer des particules à des énergies suffisantes pour désintégrer des noyaux. À son retour aux États-Unis en 1929 avec une bourse de la NSF, il se lança à Princeton, au Palmer Laboratory, dans la construction d'une machine capable de générer de grandes différences de potentiel. À l'automne 1929, son premier prototype engendrait une différence de potentiel de 80 kV entre deux sphères métalliques:

Principe:

Améliorant progressivement son modèle, Robert Van de Graaff parvint à 1 MV en novembre 1931. Cette année là, Karl Compton (le frère aîné d'Arthur Compton) devint président du MIT et il invita Van de Graaf à rejoindre le MIT comme associé de recherche. Il y construisit sa première grande machine formée de deux sphères de 5 m de diamètre placées sur des pylônes isolants de 8 m de hauteur et 2 m de diamètre. Elle entra en fonctionnement le 28 novembre 1933 et elle atteignit 7 MV.

Décharge spectaculaire du Van de Graaf du MIT en 1934 © MIT

Van de Graaf du Palais de la Découverte en 1937

Accélérateurs linéaires

Mais obtenir les très hautes tensions d’accélération, se chiffrant en centaines de milliers de volts, puis en millions, était une prouesse technique. Les isolants utilisés ne supportaient guère plus de 750 kV. La sécurité était également un souci.

Idée simple: utiliser des tensions (relativement) faibles mais à plusieurs reprises. Idée avancée par Gustav Ising (1924). Prototype de Rolf Widerøe (1928 ?). Dans un article de 1929 dans la revue allemande Archiv für Elektrotechnik, Rolf Widerøe suggéra d’utiliser une succession de cavités accélératrices n’utilisant chacune que des tensions relativement faibles (travail de thèse ?). Les protons recevraient ainsi une succession de petites impulsions de 25 kV, plutôt qu’une seule impulsion de grande ampleur. Widerøe réalisa lui-même des accélérateurs linéaires dans les années 1930, et même plus tard des collisionneurs, et il les utilisa beaucoup à usage médical en oncologie.

Schéma d’accélérateur linéaire électrostatique de Widerøe: des ions (des protons par exemple) étaient attriés dans une électrode cylindrique portée à un potentiel négatif de -25 kV, puis, au moment où ils arrivaient à l'extrémité, le potentiel était inversé, devenant positif à +25 kV et les repoussant. Une deuxième électrode cylindrique pouvait être placée à l'extrémité de la première pour attirer les protons avec un potentiel négatif de -25 kV. À l'extrémité de la deuxième électrode, les protons auraient ainsi une énergie de 50 keV.

Article de Widerøe: principe de l'accélérateur linéaire

Principe des accélérateurs linéaires « résonants » : inverser la tension au bon moment

Les particules accélérées allant de plus en plus vite, les électrodes successives doivent être de plus en plus longues, et de plus en plus espacées. Il n'est pas très difficile de calculer la taille et l'espacement des électrodes:

• Tension d’accélération V et n étapes d’accélération ⇒ énergie pour un proton E = neV = 1/2 mv² ⇒ vitesse v = [2neV/m]^½
  • Par exemple, pour un proton et une tension de 10 kV, E = 10 n keV. Avec un nombre d'électrodes n = 100 ⇔ E = 1 MeV et v = 1000 √n km/s
• Fréquence f du courant alternatif ⇔ inversion toutes les 1/f secondes.
  • Par exemple f = 10 MHz ⇔ inversion toutes les 10^-7 s ⇒ le proton parcourt 0,1√n m entre chaque inversion ⇒ c’est la distance minimale entre électrodes

⇒ estimation de la taille de l’accélérateur L = Σn 0,1√n ~ 70 m pour accélérer des protons jusqu’à 1 MeV

⇒ pour augmenter l’énergie

• Augmenter la tension V
• Augmenter la fréquence f

Plus simplement en remplaçant n par E/eV, on obtient :

L = E^3/2 √2/m /[eVf]

soit la règle (approximative):

• L = 100 m [E/1MeV]^3/2 [10 kV/V] [10 MHz/f] pour un proton
• L = 4 km [E/1MeV]^3/2 [10 kV/V] [10 MHz/f] pour un électron

⇒ f = 100 MHz et V = 50 kV pour une taille raisonnable:

L ~ 2 m [Énergie/1 MeV]^3/2 [100 MHz/fréquence] [50 kV/Tension]

Difficultés techniques prévisibles :

• focalisation du faisceau
• réglage des tailles et espacements des cavités accélératrices
• vide indispensable (fuites à prévoir),
• pilotage des tensions alternatives à haute fréquence
• encombrement (plusieurs m)

⇒ peu de réalisations pratiques avant les années 1950

Accélérateur linéaire à usage médical: exemple du Varian Clinac DHX (électrons jusqu'à 22 MeV et photons gamma secondaires jusqu'à 25 MeV)

Vue aérienne de l'accélérateur linéaire de Stanford, le SLAC (Stanford Linear Accelerator Center), accélérant des électrons et des positirons à 60 GeV. Il mesure 3.2 km de long.

Cyclotrons

Ernest Orlando Lawrence

En avril 1929, Lawrence fut très intéressé en lisant l’article de Widerøe (ou plus exactement les schémas, car il parlait mal l’allemand).

Article de Widerøe: principe de l'accélérateur linéaire

Lawrence calcula que, pour atteindre 1 MeV avec des protons, cet accélérateur linéaire devrait mesurer plusieurs mètres de long. Cela lui sembla beaucoup trop encombrant (l’accélérateur linéaire de Stanford, construit en 1966, mesure cependant 3.2 km). Puis il eut soudain l’idée de dévier le faisceau de 180° par un champ magnétique et de le ramener ainsi dans la cavité accélératrice (en y inversant le sens du champ électrique) et de répéter l’opération autant de fois que nécessaire. Szilard eut en même temps la même idée que Lawrence en lisant l’article de Widerøe (mais lui pouvait lire le texte…), mais il ne la mit pas concrètement en pratique du fait de sa situation personnelle difficile. Il déposa cependant en Allemagne dès 1929 un brevet de cyclotron, complétant un brevet d’accélérateur linéaire déposé en 1928.

Carnet de Lawrence : « Ne pouvant lire l’allemand… »

Principe du cyclotron décrit sur le brevet de Lawrence de 1934: la chambre à vide est placée entre les pôles d’un électro-aimant ⇒ les protons tournent en cercle. Ils sont accélérés par la différence de potentiel dans l’intervalle entre les « dees » ⇒ le rayon de giration augmente, les protons suivent une spirale mais leur vitesse augmente dans les mêmes proportions ⇒ durée de giration constante, donc fréquence constante de basculement du potentiel entre les dees.

Une particule qui accélère augmente son rayon (elle suit une trajectoire en spirale) mais elle met toujours le même temps pour boucler un tour. La fréquence d’accélération est donc constante (pour une particule donnée, q/m fixé, et un champ magnétique B fixé) ce qui simplifie considérablement la construction. (effets relativistes ==> synchro-cyclotron à fréquence variable). Pour des protons et un champ magnétique de 1 tesla, le champ électrique devait alterner avec une fréquence de 15 MHz, donc radiofréquence ondes courtes. Une tension de 10 kV suffirait à atteindre 1MeV avec des protons ou des alphas.

Un brin de physique:

• Rayon de giration (Larmor): R = mV/eB ⇔ Vitesse V = e B R / m
  • Pour un proton e = 1.6x10^-19 C, m = 1.67x10^-27 kg ⇒ V = 95 000 km/s [B/1 T] [R/1 m] (→ rayon ≫ pour un électron)
• Énergie E = ½ m V² ⇒ E = ½ e² B² R² /m
  • Pour un proton E = 4,8 MeV [B/1 T]² [R/1 m]²

⇒ pour augmenter l’énergie:

☞ augmenter la charge de l’ion (p→α)

☞ diminuer la masse de l’ion

☞ augmenter le champ magnétique

☞ augmenter le diamètre de la chambre

☞ dissocier cavités accélératrices et aimants de courbure

Limitations: financières, pertes d’énergie (Bremsstrahlung) et effets relativistes → synchrocyclotron et synchrotron

Principe du cyclotron :

• m v²/r = q v x B donc :
• rayon de la trajectoire r = mv/qB ,
• et fréquence de rotation ω = v/r = qB/m indépendante de la vitesse et du rayon.

Dès le lendemain de sa découverte, Lawrence décrivait à ses collègues son « manège à protons ». La réalisation d’un prototype fut retardée par les difficultés techniques : difficultés mécaniques (vide requis, « boîte » soumise à des tensions alternatives et à un champ magnétique) et difficultés liées à l’électronique de puissance nécessaire pour les électrodes et à la focalisation du faisceau (le champ magnétique ne doit pas être tout à fait uniforme pour ramener les particules accélérées dans le plan). Deux exemplaires d’un premier prototype furent réalisés au printemps 1930 avec un de ses étudiants, Nels Edlefsen (Science, 72-376, 1930), pour le coût modique de 25$ de l’époque.

À l’automne 1930, il réalisa avec un autre étudiant, M. Stanley Livingston, dont ce fut le travail de thèse, un modèle fonctionnel de 13 cm de diamètre (4.5 pouces), utilisant un aimant disponible de 4 pouces, et capable le 2 janvier 1931 d’accélérer des protons à 80 keV avec une tension de 1000 volts seulement (Phys. Rev 37-1707,1931). Ce fut le premier « cyclotron » qui revint à 800$.

E.O. Lawrence tenant à la main son premier cyclotron de 4.5 pouces de diamètre © LBL

Avec Livingston et un autre étudiant, David Sloan, Lawrence passa tout de suite à la dimension supérieure : un cyclotron de 11 pouces capable d’atteindre 1 MeV. Le 30 avril 1931, ce modèle fonctionna correctement en résonance. L’aimant pesait 2 tonnes, et la focalisation magnétique fut améliorée au cour de l’été par l’ajout de shims, petites pièces de fer, et le cyclotron accéléra des protons jusqu’à 1 MeV en août (télégramme de la secrétaire de Lawrence à son patron : « Dr. Livingston has asked me to advise you that he has obtained 1,100,000 volt protons. He also suggested that I add ‘Whoopee’! ». Pendant l'absence de Lawrence, Livingston avait retiré les grilles recouvrant les dees, grilles que Lawrence pensait indispensables à un champ électrique uniforme. L'absence des grilles rendait effectivement le champ électrique non-uniforme, mais cela focalisait verticalement le faisceau et l'intensité du faisceau fut centuplée! Une bonne focalisation du faisceau est, depuis, un objectif crucial de tout accélérateur.

Le cyclotron de 11 pouces à Leconte Hall en janvier 1932

Le cyclotron était installé juste à côté du bureau de Lawrence, dans la pièce 329 au 2° étage de Leconte Hall, siège du Département de physique (radioprotection inexistante ?). Lawrence et ses étudiants ne l’utilisèrent cependant pas pour faire de la physique (étudier des collisions par exemple) mais plutôt pour voir comment on pourrait en augmenter l’énergie (Cockroft et Walton faisaient d’alleurs de même à Cambridge jusqu’à ce que Rutherford les rappelle à l’ordre). En février 1932, l’énergie atteignit 1.2 MeV. La dimension est tantôt indiqué comme 9 pouces tantôt 11pouces (confusion possible entre le diamètre de la chambre du cyclotron et le diamètre des pièces polaires de l’aimant, souvent utilisé pour mesurer la taille « du cyclotron »).

Au printemps de 1932, Lawrence établit les plans d’un cyclotron de 27 pouces (68 cm), placé dans l’entrefer d’un aimant de 80 tonnes qu’il avait récupéré (prévu pour une liaison radio transatlantique de la Federal Telegraph Company pendant la première guerre mondiale, il était déclaré surplus et Lawrence l’obtint en cadeau via Leonard Fuller, professeur d’ingénierie électrique à Berkeley, et vice-président de la FTC). Le coût fut de 10 000 $. Pour héberger cet énorme aimant, Lawrence obtint un bâtiment situé à proximité de Leconte Hall, en bois mais avec un sol bétonné assez solide pour soutenir les 80 tonnes de l’aimant. Ce fut le premier Radiation Laboratory (Rad Lab). Il devint indépendant du Département de physique de Berkeley en 1936. Les pannes étaient fréquences (fuites, incendies, sautes de tension) et la consommation électrique énorme.

Le premier Rad Lab ©LBL

Terminé fin 1933, le cyclotron "de 27 pouces" accélérait des deutérons à 4.8 MeV. Il aurait pu découvrir la radioactivité artificielle, et réaliser avec beaucoup plus d’efficacité les expériences de bombardement de neutrons effectuée à Rome par Fermi, mais les cyclotronnistes de Berkeley étaient plus précocupés d’améliorer les performances de leur machine. Ils avaient observé une radioactivité forte, mais très variable, quand le cyclotron fonctionnait, mais ils l’attribuaient à un problème d’équipement (il n’est cependant pas exact que les compteurs étaient branchés sur l’alimentation du cyclotron). Dès l’annonce de la découverte de Joliot en janvier 1934, ils vérifièrent que leurs compteurs Geiger continuaient à cliqueter après l’arrêt du cyclotron, et qu’ils étaient irradiés depuis plus d’un an !

Le RadLab de Berkeley aurait pu

• découvrir la radioactivité artificielle
• effectuer les expériences de Fermi bien plus efficacement

M.Stanley Livingston (à gauche) et E.O. Lawrence (à droite) devant le cyclotron de 27 pouces en 1934

Par contre Lawrence s’intéressa très tôt aux applications médicales : d’une part son frère cadet John était médecin et d’autre part Il eut recours à des fondations intéressées par le recherche médicale (Cottrell, Macy’s, Rockefeller) pour financer ses machines dont le prix ne cessait de monter. Les deux frères Lawrence collaborèrent de plus en plus étroitement : quittant Yale pour Berkeley, John y passa l’été 1935, et s’y installa définitivement fin 1937. David Sloan, un étudiant de E.O. Lawrence, réalisa en 1932-1933 un tube à rayons X de 1 MV pour le traitement du cancer et le Dr. Robert Stone, radiologue en chef de l’Hôpital Universitaire, insista pour qu’il soit entouré de blindages pour réduire l’irradiation du personnel (il conseilla aussi de blinder le cyclotron). Le Dr Joseph Hamilton, du même hôpital, commença des expériences sur l’usage médical de radioisotopes (comme traceurs surtout, mais aussi en radiothérapie). Un de ses objectifs était de trouver quels isotopes se concentrent dans quels organes pour cibler une thérapie.

Le diamètre augmenta progressivement : le 27 pouces de 1934 fut amélioré en 37 pouces (94 cm) en 1937 accélérant les deutérons à 8 MeV.

 

Lawrence devant la chambre du cyclotron de 37 pouces en 1935 © LBL

Lawrence aux commandes du cyclotron de 37 pouces en 1938 © LBL

Lawrence fit la couverture de Time, et il avait déjà les plans d’un 60 pouces (152 cm).

Terminé en 1939, grâce à un don de 75 000 $ du banquier et mécène William H. Crocker (1861-1937), le 60 pouces accélérait des deutérons à 16 MeV et il fut installé dans un nouveau bâtiment, le Crocker Laboratory, et fut officiellement destiné à la production d’isotopes à usage médical. Il servit cependant beaucoup à la recherche des transuraniens (étude du plutonium en particulier) et au programme Manhattan. Son aimant de 200 tonnes avait été calculé par Luis Alvarez (arrivé en 1936 de Chicago). Segrè, visitant le Rad Lab en 1938, s’y trouva piégé par les lois raciales de Mussolini, et Lawrence en profita pour lui offrir un poste, mais avec un salaire très bas. Segrè raconta plus tard (mémoires) qu’au Rad Lab « Brawl prevailed over brain ». La brève incursion de Lawrence dans la théorie, lors du congrès Solvay de 1933 où il était le seul Américain, n’avait pas été une réussite (il avait pris un artefact dû à des impuretés comme la preuve que la désintégration de noyaux légers libérait de l’énergie, et il avait été ridiculisé par Heisenberg et par Chadwick). Lawrence établit par la suite des liens plus étroits avec les théoriciens de Berkeley, Oppenheimer en particulier.

Cyclotron de 60 pouces (1939) : deutérons de 20 MeV et α de 40 MeV (Lawrence et McMillan sont aux commandes)

Le 60 pouces « Crocker »

McMillan et Lawrence aux commandes du cyclotron de 60 pouces en 1939 © LBL

John et Ernest Lawrence aux commandes du cyclotron de 60 pouces en 1939 © LBL

Edwin McMillan rejoignit Berkeley en 1932, venant de Princeton où il avait passé son PhD sous la direction de E.U. Condon, et devint le beau-frère de Lawrence (ils avaient épousé deux sœurs).

Hans Bethe avait calculé qu’un cyclotron serait limité à 20 MeV pour l’accélération de protons, car au delà les effets relativistes décaleraient la synchronisation entre passage des protons et champ accélérateur. Mais cela n’empêcha pas Lawrence de concevoir un projet d’accélérateur de 500 MeV. Son premier objectif était de produire les mésons récemment découverts dans les rayons cosmiques (les mésons µ) et de vérifier qu’ils étaient les hypothétiques vecteurs de l’interaction forte (il s’agit là en fait des mésons π de Yukawa). La découverte de la fission de l’uranium, connue en janvier 1939, changea le projet, l’objectif devenant l’étude de la fission éventuelle d’autres noyaux, et des réactions en chaîne éventuelles. Le projet prévoyait initialement un aimant de 2000 tonnes, pour un coût de 1 M$, revu à la hausse (surtout après l’annonce du prix Nobel décerné à Lawrence en 1939) à 3000 tonnes puis 5000 tonnes, pour un diamètre de 184 pouces (467 cm) qui était la taille maximale des plaques d’acier disponibles dans le commerce. Lawrence aurait souhaité 200 pouces, comme le télescope Hale du Mont Palomar. Le coût dépassait 1.5 M$, mais la Fondation Rockefeller fit un don de 1.15 M$ en avril 1940, et le président de l’université, Raymond Sproul offrit un nouveau site sur les collines dominant Berkeley, Charter Hill (devenu Cyclotron Hill, siège actuel du LBL).

Lawrence en 1942 devant le bâtiment du cyclotron de 184 pouces

Puis la Seconde guerre mondiale modifia les priorités et le cyclotron inachevé fut converti en prototype des calutrons d’Oak Ridge, puis il devint après la guerre le premier synchro-cyclotron de 350 MeV (et il servit effectivement à l’étude des mésons π).

Des cyclotrons ailleurs: Joliot, nommé en 1937 professeur au Collège de France à la chaire de Chimie nucléaire, y installa un laboratoire de recherches où il commença à installer un cyclotron (dans les sous-sols) sur les plans de Lawrence. Il fallut cependant plusieurs années avant qu’il devienne opérationnel, un des premiers en Europe.

Le cyclotron du Collège de France © Doisneau

Le cyclotron du « Secret de l’Espadon », E.P. Jacobs (1946-1953)

Le premier cyclotron à fonctionner en dehors de ceux de Lawrence fut le cyclotron miniature qui fonctionna à Léningrad dès 1934 sous l’impulsion d’Abram I. Alikhanov et Igor Kourtchatov, suivi par un second en 1936, et le projet de cyclotron de 10 MeV lancé dès 1937 était pratiquement achevé en 1941 à l’Institut Physico-Technique de Léningrad lors de l’invasion allemande (il entra en fonctionnement le 18 juin 1946). En 1936, Dunning en construisit un à New York, à l’université Columbia, puis un autre en 1939. Niels Bohr en installa un à Copenhague en 1938 pour étudier les collisions nucléaires mais également pour produire des radioéléments à usage biomédical.

Le cyclotron construit à Columbia par John Dunning © Steve Duncan

Walther Bothe, qui voulait construire un cyclotron en Allemagne, fit en décembre 1938 une revue des cyclotrons en construction et en fonctionnement dans le monde : 9 fonctionnaient aux Etats-Unis (et 27 étaient en construction), 2 en Grande-Bretagne, 2 au Japon et 1 au Danemark. Il y en avait 1 en construction en Suède, en Suisse, en France et en URSS.

Synchrotrons

Vue aérienne du LHC

Synchrotron à électrons Soleil

L'évolution des accélérateurs de particules 1930-2010

 

 

Détecteurs

Ionisation

Atome d’azote (par exemple)

• Noyau : 7 protons + 7 neutrons
• → 7 électrons : 2 sur la 1s, 2 sur la 2s et 3 sur la 2p
• Ionisation : perte de 1, 2, 3… électrons ó apport d’énergie
• Ionisation de l’azote : 14,5 eV

Comment ioniser ? Les rayonnements ionisants

Onde électromagnétique

• micro-ondes ⇔ 1 meV
• visible ⇔ 1 eV
• rayons X ⇔ 1 keV
• rayons γ ⇔ 1 MeV

E>10 eV ⇔ λ< 100nm ⇔ UV, X, γ

• effet photoélectrique
• effet Compton (déplace un électron, lequel ionise)
• production de paires e+e–

Particule chargée: e–, p+, α

Neutron : met un proton en mouvement, lequel ionise

Détection d’un rayonnement ionisant

Énergie d’ionisation ~ 10 eV

• hydrogène 13,6; azote 14,5; oxygène 13,6 pour la 1° ionisation
• la 7° pour l’azote est à 667 eV et la 8° pour l’oxygène à 871 [normal car varie comme Z²]

⇒ une particule ionisante de 1 MeV ionise 10⁴ à 10⁵ atomes sur son trajet ⇒ 10⁴ à 10⁵ ions et électrons secondaires

⇒ courant d’ionisation si on peut collecter ces charges ⇒ anode + cathode et différence de potentiel

• Ions attirés par la cathode mais lourds et lents
• Électrons secondaires [de ~ 10 eV] attirés par l’anode ⇒ cascade (avalanche de Townsend)

Chambre d'ionisation

Compteur proportionnel

• Tensions 100 à 500 V
• Gaz inerte (Ne, He ou Ar) sous faible pression (0,1 atm), l’argon est facilement ionisé par effet Compton
• +10% méthane ou chlore pour le quenching (le méthane amortit l’avalanche de Townsend en absorbant les photons de désexcitation lors de la recombinaison)

Intensité du courant ~ proportionnelle à l’énergie de la particule incidente ⇒ compte le nombre et l’énergie des particules ionisantes (sans vraiment les identifier)

 

Compteurs de Geiger

Compteur Geiger

• Tensions > 500 V ⇒ avalanche de Townsend ⇒ très sensible
• Mais ne distingue pas α, β et γ
• Et ne mesure pas leur énergie (tout ou rien)
• Temps mort ~ 200 µs ⇒ comptage limité à 500 cps

• Fenêtre en mica → laisse passer les α
• Fenêtre en verre → β > 2,5 MeV et γ

 

• 1908 : compteur d’α avec Rutherford
• 1912 : compteur de β
• 1913 : compteur à pointe, sensible aux β et aux γ mais d’utilisation très délicate
• 1928 : compteur Geiger-Müller à basse pression, plutôt utilisé pour β et γ (α à la rigueur)

Compteur à pointe

Compteurs Geiger contemporains

Gamma-Scout

Intérieur

Compteur Geiger (Société Gamma-Scout): filtre mobile (α, β, γ), tube à fenêtre mica et remplissage Ne-Cl. Seuils de fétection: α > 4 MeV, β > 0.2 MeV et γ > 0.03 MeV. Sensibilité 0.01 – 1000 µSv/h (en comparaison la radioactivité naturelle ~ 0.2 µSv/h). Connecteur USB.

Chambre à brouillard (Wilson)

La chambre de Wilson, ou chambre à brouillard, (cloud chamber) fut mise au point au Cavendish à partir de 1911 par Charles Wilson [Nobel 1927]. Initialement, à la fin des années 1890, Wilson cherchait à comprendre la formation des nuages et du brouillard.

Utilisation par Thomson en 1898 pour estimer la charge de l'électron

C.T.R. Wilson (1869-1959)

La première chambre à brouillard de Wilson

La vapeur d’eau sursaturée se condense sur les poussières, ou sur le passage d’une particule chargée ☞ traînée de gouttelettes

La chambre de Wilson:

• permet de photographier les interactions
• est sensible à toute particule chargée
• permet de distinguer électrons, protons ou ions par la courbure et l’épaisseur des traces

Traces photographiées dans une chambre de Wilson

L’emploi d’une chambre de Wilson permit à Chadwick de corriger l’interprétation de Rutherford des collisions alpha-azote : les clichés de Chadwick montrèrent que l’alpha est absorbé par l’azote, et que la réaction observée par Rutherford était en réalité alpha + azote 14 -> oxygène 17 + proton

Développements plus récents

Chambre à bulles (D. Glaser 1952)

Chambre multifils proportionnelle (Charpak 1968)

Georges Charpak en 1976 à côté d'une des premières chambres multifils

Chambre multifils de l'expérience SuperNemo

 

Tout ceci fut vite à la portée des enfants ! L’Atomic Energy Lab (Gilbert 1950-1951) comprenait

• Électroscope
• Compteur Geiger-Müller
• Chambre de Wilson
• Spinthariscope: écran au sulfure de zinc et loupe
• Minerais d’uranium
• Sources radioactives
  • Polonium 210 (alphas)
  • Plomb 210 (alphas et bêtas)
  • Rubidium 106 (bêtas)
  • Zinc 65 (gammas)

et un manuel illustré du parfait petit atomiste:

 

Chambre à bulles (Glaser)

Chambres à fils (Charpak)

 

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