Modèle d’accélérateur linéaire de particule – « 3D printed LINAC »

par | 28 Jan 2022 | Arts et science, Edition 2021, Expérience

Les accélérateurs linéaires de particules (LINAC) sont fondamentaux pour la physique moderne des particules. Au CERN, les accélérateurs linéaires sont au cœur de la chaîne d’accélérateurs et servent de source principale pour le Grand collisionneur de Hadrons (LHC) en fournissant  les faisceaux d’ions (avec le LINAC 3) et de protons (avec le LINAC 4). Le LHC du CERN consiste en un anneau de 27 km formé d’aimants supraconducteurs et de structures accélératrices qui augmentent l’énergie des particules qui y circulent. Ces particules lancées à une vitesse proche de celle de la lumière entrent ensuite en collision, ce qui permet aux chercheurs de travailler notamment sur la détection du Boson de Higgs ou encore sur l’étude du quagma.

Le CERN a donc remarqué que très peu d’outils pédagogiques ont été mis en place afin de démontrer les principes sous-jacents. C’est pourquoi ils ont développé le LINAC imprimé en 3D (“3D printed LINAC”).

Le 3D printed LINAC est un modèle entièrement fonctionnel permettant de démontrer comment des particules chargées peuvent être accélérées dans un champ électrique oscillant. En effet, le modèle consiste à accélérer une balle de ping pong recouverte de graphite à l’intérieur d’un tube de plexiglas à l’aide d’un commutateur à haute tension. Le modèle LINAC est toujours en  cours d’élaboration mais le CERN propose tout de même un manuel d’utilisation permettant de construire le modèle de A à Z. C’est ce qu’ont fait deux étudiants de POLYTECH Annecy-Chambéry, Alexandre PLIOT et Julien VERDIN. C’est ensemble qu’ils ont pu s’attaquer à la confection de ce modèle qu’ils ont ensuite pu présenter au grand public  lors du week-end de la fête de la science qui s’est déroulée le 9 et 10 Octobre à POLYTECH sur le site d’Annecy.

Pour réaliser le modèle, la majorité des pièces ont été imprimées via une imprimante 3D. Mais qu’en est il du fonctionnement de cet accélérateur ?

Premièrement en bout du tube de plexiglass il y a un commutateur haute tension qui sera relié à une machine Wimshurst qui sera la source d’alimentation du modèle. La machine Wimshurst est une machine qui permet de créer une forte tension tout en mettant en rotation deux roues recouvertes de secteurs métalliques. Ces deux roues tournent en sens opposés et les secteurs métalliques viennent alors frotter contre un balai métallique reliés à des condensateurs ce qui, in fine, crée un arc électrique.  Ainsi, grâce à cette machine on peut très facilement délivrer une tension très importante (on peut délivrer près de 10 000V par centimètre qui sépare les deux boules en acier).

Ensuite des bandes de cuivre sont placées le long du tube de plexiglass distantes chacune d’une quinzaine de centimètre. Des pylônes haute tension sont aussi placés le long du tube. C’est l’alternance de polarité qui va pouvoir permettre à un moment donné d’attirer la balle de ping pong puis de la repousser.

Afin de piloter le changement de polarité, les deux élèves ingénieurs ont utilisé une carte arduino reliée à des capteurs placés sur le parcours de la balle de ping pong qui vont permettre de détecter l’avancement de cette dernière et ainsi engendrer le changement de polarité au bon moment.

Au final, on se retrouve avec un système électronique fonctionnel décrit par le schéma suivant:

Connaissant maintenant le fonctionnement complet de ce système, voyons son fonctionnement en image:

Ce modèle pédagogique d’accélérateur de particule nous permet alors de saisir concrètement une partie des phénomènes physiques utilisés tous les jours au sein des laboratoires du CERN, grâce au travail de Alexandre et Julien, nous avons pu avoir l’occasion de voir ce phénomène en action et comprendre cette technologie très intéressante mais malheureusement encore peu simulé dans nos universités.

Photographies et vidéos de l’évènement de la Fête de La Science prisent par Zakariae Abdelouahab et Laurent TABOUROT

Bibliographie

  • Bernstein, Fabian; Keller, Oliver (2020). 3D printed LINAC. Assembly Instructions. Version 1