Qu’est-ce qu’un accélérateur de particules ?

Les composants essentiels d’un accélérateur de particules

Les accélérateurs produisent et accélèrent des faisceaux de particules chargées de la taille d’un atome ou plus petites, telles que les électrons, les protons et les ions. Ils sont utilisés non seulement dans la recherche fondamentale pour nous aider à mieux comprendre de quoi est faite la matière, mais aussi dans un large éventail d’applications qui ont des retombées socioéconomiques et concernant la santé, le contrôle radiologique de l’environnement, la qualité des aliments, l’énergie ou les technologies aérospatiales, pour ne citer que quelques exemples.

Les accélérateurs peuvent être linéaires (rectilignes) ou circulaires et de taille très variable : certains mesurent des dizaines de kilomètres de long ; d’autres sont suffisamment compacts pour tenir dans une petite pièce. Mais tous les accélérateurs comportent quatre composants essentiels :

(1) une source qui produit les particules chargées ;

(2) un dispositif complexe qui augmente l’énergie des particules et les accélère au moyen d’un champ électrique statique ou oscillant ;

(3) une série de tubes métalliques à vide qui permettent aux particules de se déplacer sans rencontrer d’obstacles, tels que des molécules d’air ou des particules de poussière, qui risqueraient de disperser le faisceau ;

(4) un système d’électro-aimants qui concentre les particules du faisceau et les dirige ou modifie leur trajectoire avant de les propulser sur un échantillon de matière cible.

Applications des faisceaux de particules

SANTÉ

Les faisceaux sont employés pour stériliser le matériel médical et produire les isotopes radioactifs nécessaires à la synthèse des radiopharmaceutiques qui servent au diagnostic et au traitement du cancer. De gros accélérateurs permettent de détruire les cellules cancéreuses, de révéler la structure des protéines et des virus et d’optimiser les vaccins et les nouveaux médicaments.

RECHERCHE

Les plus gros accélérateurs génèrent des collisions entre des particules subatomiques pour faire progresser notre connaissance de l’univers. Certains de ces accélérateurs sont également utilisés pour produire des neutrons.

ENVIRONNEMENT

Les faisceaux de protons servent généralement à détecter les éléments chimiques présents à l’état de trace dans l’air, l’eau ou le sol. Ils nous permettent par exemple de déterminer la concentration et la composition de divers polluants et de fournir une signature unique renseignant sur la qualité de l’air.

INDUSTRIE

Les faisceaux peuvent interagir avec les atomes d’un matériau cible, par exemple pour rendre ce matériau plus durable.

Types d’accélérateurs de particules

IMPLANTEURS IONIQUES

Les implanteurs ioniques sont très utilisés dans l’industrie, où ils servent notamment à rendre les matériaux plus résistants à l’usure. Dans le monde, environ 12 000 implanteurs sont utilisés pour produire des semi-conducteurs pour les téléphones portables et les panneaux solaires et renforcer les finitions en métal, en céramique ou en verre. Ces appareils peuvent aussi améliorer la fiabilité des matériaux entrant dans la composition des implants médicaux.

ACCÉLÉRATEURS DE FAISCEAUX D’ÉLECTRONS

On compte près de 10 000 accélérateurs de faisceaux d’électrons en service dans le monde. Ces appareils peuvent être utilisés pour rendre les matériaux plus durables et plus résistants aux températures extrêmes et aux produits chimiques. Les faisceaux d’électrons servent également à la stérilisation des produits médicaux et alimentaires ainsi qu’à la décontamination des eaux usées. Ils sont en outre très répandus dans les industries automobile et aérospatiale et sont employés à large échelle pour la fabrication de machines et de produits médicaux.

LINACS

Les accélérateurs linéaires (linacs) peuvent être de toutes tailles, et mesurer de quelques mètres à plusieurs kilomètres de long. La plupart sont utilisés pour la recherche scientifique. Les linacs médicaux installés dans les hôpitaux créent des rafales de rayons X qui sont orientés vers les cellules tumorales pour les détruire. Un millier de linacs médicaux sont en service dans le monde.

CYCLOTRONS

Plus de 1 200 cyclotrons génèrent des faisceaux de protons ou de deutérons à des fins médicales dans le monde. Ils servent à produire des radio-isotopes, qui sont utilisés dans l’imagerie médicale pour diagnostiquer et traiter les cancers. De nombreux cyclotrons sont installés dans des hôpitaux pour produire des radiopharmaceutiques constitués de radio-isotopes de courte période.

SYNCHROTRONS

Les synchrotrons sont des accélérateurs de particules géants. Il en existe plus de 70 dans le monde. Utilisés dans la recherche scientifique, ils nous aident à comprendre les lois fondamentales de notre univers. Les scientifiques utilisent les synchrotrons pour étudier la chimie, la biomédecine, le patrimoine naturel et culturel, l’environnement, et bien d’autres choses encore.  

ACCÉLÉRATEURS ÉLECTROSTATIQUES

Les accélérateurs électrostatiques, en particulier les accélérateurs tandem, sont plus abordables. Les scientifiques s’en servent pour examiner les propriétés des matériaux, surveiller l’environnement, soutenir la recherche biomédicale, étudier les objets du patrimoine culturel, entre autres usages. D’après les spécialistes, le nombre d’accélérateurs électrostatiques utilisés dans le monde – 300 actuellement – devrait augmenter au cours des prochaines années.

À l’heure actuelle, plus de 20 000 accélérateurs sont utilisés dans le monde.