Faisceau de particules - Particle beam
Un faisceau de particules est un flux de particules chargées ou neutres . Dans les accélérateurs de particules, ces particules peuvent se déplacer à une vitesse proche de la vitesse de la lumière . Il existe une différence entre la création et le contrôle de faisceaux de particules chargées et de faisceaux de particules neutres, car seul le premier type peut être manipulé dans une mesure suffisante par des dispositifs basés sur l' électromagnétisme . La manipulation et le diagnostic de faisceaux de particules chargées à haute énergie cinétique à l'aide d' accélérateurs de particules sont les principaux sujets de la physique des accélérateurs .
Sources
Les particules chargées telles que les électrons , les positons et les protons peuvent être séparées de leur environnement commun. Ceci peut être accompli par exemple par émission thermoionique ou décharge d'arc . Les dispositifs suivants sont couramment utilisés comme sources de faisceaux de particules :
- Source d'ions
- Tube à rayons cathodiques , ou plus précisément dans l'une de ses parties appelée canon à électrons . Cela fait également partie des écrans de télévision et d'ordinateur traditionnels.
- Les photocathodes peuvent également être intégrées dans un canon à électrons , en utilisant l' effet photoélectrique pour séparer les particules de leur substrat.
- Les faisceaux de neutrons peuvent être créés par des faisceaux de protons énergétiques qui ont un impact sur une cible, par exemple en béryllium . (voir article Thérapie particulaire )
- Faire éclater un laser Petawatt sur une feuille de titane pour produire un faisceau de protons.
Manipulation
Accélération
Poutres chargées peuvent en outre être accélérée par l' utilisation d' une grande résonance, parfois également supraconducteur , cavités micro - ondes . Ces dispositifs accélèrent les particules par interaction avec un champ électromagnétique . Étant donné que la longueur d' onde des dispositifs conducteurs macroscopiques creux se situe dans la bande des radiofréquences (RF), la conception de telles cavités et d'autres dispositifs RF fait également partie de la physique des accélérateurs.
Plus récemment, l'accélération plasma est apparue comme une possibilité d'accélérer des particules dans un milieu plasma , en utilisant l' énergie électromagnétique de systèmes laser pulsés à haute puissance ou l' énergie cinétique d'autres particules chargées. Cette technique est en cours de développement, mais ne peut fournir à l'heure actuelle des faisceaux fiables et de qualité suffisante.
Conseils
Dans tous les cas, le faisceau est dirigé avec des aimants dipolaires et focalisé avec des aimants quadripolaires . Dans le but final d'atteindre la position et la taille de spot de faisceau souhaitées dans l'expérience.
Applications
Physique des hautes énergies
Des faisceaux de particules à haute énergie sont utilisés pour des expériences de physique des particules dans de grandes installations; les exemples les plus courants étant le Large Hadron Collider et le Tevatron .
Rayonnement synchrotron
Les faisceaux d'électrons sont utilisés dans les sources lumineuses synchrotron pour produire un rayonnement de rayons X avec un spectre continu sur une large bande de fréquences appelée rayonnement synchrotron . Ce rayonnement X est utilisé au niveau des lignes de lumière des sources lumineuses synchrotron pour diverses spectroscopies ( XAS , XANES , EXAFS , µ -XRF , µ -XRD ) afin de sonder et caractériser la structure et la spéciation chimique des solides et matériels biologiques.
Thérapie particulaire
Les faisceaux de particules énergétiques constitués de protons , de neutrons ou d' ions positifs (également appelés microfaisceaux de particules ) peuvent également être utilisés pour le traitement du cancer en thérapie par particules.
Astrophysique
De nombreux phénomènes en astrophysique sont attribués à des faisceaux de particules de diverses natures. Le plus emblématique est peut-être le sursaut radio solaire de type III , dû à un faisceau d'électrons légèrement relativiste.
Militaire
Bien que les faisceaux de particules soient peut-être les plus célèbres utilisés comme systèmes d' armes à énergie dirigée dans la science-fiction , l' Agence américaine des projets de recherche avancée a commencé à travailler sur les armes à faisceau de particules en 1958. L'idée générale d'un tel armement est de frapper un objet cible avec un flux de particules accélérées. particules à haute énergie cinétique , qui est ensuite transférée aux atomes, ou molécules, de la cible. La puissance nécessaire pour projeter un faisceau de haute puissance de ce type dépasse les capacités de production de n'importe quelle centrale électrique standard sur le champ de bataille, de telles armes ne devraient donc pas être produites dans un avenir prévisible.