Samedi 11 juin 2011 à 8:28

Sciences et techniques

  En quoi consiste le synchrotron “Soleil” au plan technique?
    Nous allons le voir de façon simple en nous aidant du schéma ci-dessous.

http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/plansynchrotron.jpg
    La machine qui va permettre de fournir la “lumière” attendue pour les expériences scientifiques, est un anneau de 354 mètres de périmètre dans lequel on va faire tourner des électrons de grande énergie à une vitesse très proche de celle de la lumière : 300 000 km/s.
    Le diamètre de ce faisceau d’électrons est de l’épaisseur d’un cheveu : quelques dizaines de microns (le millième de mm)
    Donc les électrons en cause feront presque un million de fois le tour de l’anneau chaque seconde et ceci tant que le synchrotron est en fonctionnement
(jour et nuit, du mardi au samedi - chaque lundi étant réservé à la maintenance).
    Mais ces électrons il faut d’abord les créer et leur donner la vitesse et l’énergie nécessaire, (2 750 millions d’électron-volts), puis les conserver dans l’anneau. Nous allons voir comment.
    Dans tout le système, le faisceau d’électrons va se déplacer dans un vide extrèmement poussé, (10-8 à 10 -10 hPa), car s’il rencontraient de nombreuses molécules d’azote et d’oxygène de l’air, les électrons les ioniseraient, perdraient leur énergie et seraient déviés vers les parois créant alors dans les parois des rayonnements X et gamma.

          La rampe de lancement des électrons : un accélérateur linéaire :

    L’accélérateur linéaire, le “LINAC”, d’une longueur de 16 m, est le premier maillon de la chaîne. Son rôle est de fabriquer un faisceau d’électrons pulsés d’énergie de 100 MeV .

http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/canonelectron.jpg    Le LINAC débute par un canon à électrons comparable à celui que l’on trouve dans les anciens téléviseurs à tube cathodique : un filament chauffé produit des électrons qu’un champ électrique regroupe en paquets de la taille d’un cheveu. La tension électrique tout ou rien de la grille d’or permet de pulser le faisceau d’électrons :. tension zéro volt : les électrons sont émis; tension –100 V : les électrons restent piégés.
    A titre de comparaison, dans les anciens téléviseurs la tension était de 20kv.
    A la sortie du canon, les électrons ont une vitesse moitié de celle de la lumière.

http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/linac.jpg
    Le faisceau va ensuite passer par une section accélératrice qui s’appelle le groupeur. Les paquets d’électrons vont être accélérés en voyageant sur une onde électromagnétique comme un surfeur sur la vague. On peut ainsi accélerer l’onde et porter la vitesse des électrons à une valeur voisine de celle de la lumière.

    Il faut ensuite donner plus d’énergie aux électrons
    Le LINAC comporte deux sections de 3 m delong et 42,5 MeV chacune. Dans chaque section, un générateur d’énergie, appelé klystron, injecte une onde électromagnétique de 3000 MHz. (Cette onde est dite « de très haute fréquence ». A titre de comparaison, la fréquence de l’onde utilisée dans les
téléphones portables est de 900 MHz et celle utilisée dans les fours à micro-ondes de 2500 MHz).
    Les paquets d’électrons, qui continuent de surfer sur cette onde, accumulent au total une énergie de 100 MeV .


http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/Soleil1.jpg

           Donner de l’énergie aux électrons dans un “booster” :

    Un “aiguillage particulier va ajuster les paquets d’électrons sortant du linac pour qu’ils puissent être ensuite traités par le booster : 30 % des électrons
fabriqués par le LINAC sont injectés dans le booster ; les autres se perdent.
    Cette action ressemble à remplir un tuyau avec un arrosoir !
    Le booster est un petit synchrotron de 157 mètres de circonférence.
En environ une fraction de seconde, l’énergie des électrons va passer de 100 MeV à 2 750 MeV (ou 2,75 GeV) par une accélération due à un champ électrique, en faisant environ 300. 000 tours dans le booster circulaire, en 166 millisecondes.
    C’est pendant cette montée en énergie que les caractéristiques du faisceau vont être affinées : dimensions des paquets et dispersion en énergie par exemple.
    On va ensuite transférer les paquets d’électrons dans un “anneau de stockage” qui va permettre de produire les différentes lumières utilisées par les chercheurs, dont les laboratoires dont situés sur des “tangentes” à l’anneau.
   
           L’anneau de stockage et la ronde endiablée des électrons :

    70% environ des électrons relativistes du booster sont transférés dans l’anneau de stockage de 354 mètres de longueur,pour y tourner avec une énergie de 2,75 GeV pendant plusieurs heures.
    C’est un tube fermé d’environ 5 cm de diamètre constitué d’une succession de lignes droites et de virages (où se trouvent les éléments magnétiques de courbure appelés aussi dipôles ou aimants de courbure),
    Il a en fait la forme d’un polygone à 32 cotés, raccordés par de petits arcs de cercles dans les aimants de courbure.
    Dans les parties droites on trouvera des éléments magnétiques de réglage que nous examineront demain.

http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/SynchrotronSoleilVueInterieur.jpg
    C’est dans l’anneau de stockage où l’on trouve le vide le plus poussé (10-10 hPa), afin de conserver le plus d’énargie possible au faisceau.
    Pour fonctionner sous ultravide, les chambres qui sont assemblées pour constituer l’anneau subissent divers traitements au cours de leur fabrication afin d’éliminer toute trace de composés organiques et autres composés contaminants. Après ces traitements, le gaz résiduel est composéà 80 % d’hydrogène provenant de la vapeur d’eau contenue au sein même de l’acier inoxydable constituant la chambre à vide, du monoxyde de carbone, du dioxyde de carbone et de méthane.
    Dans l'anneau de stockage de SOLEIL, les électrons ont une durée de vie d’environ 18 heures et il faut donc en réinjecter pour conserver le faisceau..

   
Demain je vous parlerai des aimants situés sur cet anneau de stockage qui permettent de conserver le faisceau d’électrons et de la lumière qui va servir aux expérimentateurs.
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