NUCLÉAIRE (PHYSIQUE) Faisceaux d'ions lourds
Les faisceaux d'ions de numéro atomique Z supérieur à 3 (du lithium à l'uranium) constituent des sondes particulièrement intéressantes de la matière nucléaire. Les techniques de préparation de sources ionisées et d'accélération des faisceaux ont permis de fournir aux physiciens les moyens de sonder les multiples formes d'existence du noyau atomique et d'investiguer les mécanismes des diverses réactions de fission, de fusion ou de fragmentation. Le développement récent des faisceaux exotiques ouvre un nouveau chapitre de la recherche expérimentale. L'accélération à très haute énergie des faisceaux d'ions lourds permet de sonder l'équation d'état de la matière nucléaire et d'accéder à des phases nouvelles comme le plasma de quarks et de gluons déconfinés.
Les faisceaux d'ions lourds classiques
Pendant longtemps, les projectiles utilisés pour tenter d'explorer la structure des noyaux atomiques ont été soit les particules α (noyaux d'hélium He++) émises par radioactivité naturelle de sources de radium, de polonium, etc., soit les atomes d'hydrogène ayant perdu leur électron (protons H+) accélérés dans un champ électrique, soit les électrons également portés à grande vitesse. On a ensuite fabriqué des ions de deutérium et de tritium. Entre 1950 et 1960, l'idée est venue de mettre dans les sources d'ions des molécules gazeuses de lithium, d'azote, d'oxygène, de carbone, et d'accélérer ensuite les ions positifs créés après la perte par les atomes d'un ou de plusieurs électrons. Actuellement, on produit pratiquement les ions de tous les éléments, du lithium (Z = 3) à l'uranium (Z = 92). Ce sont tous ces ions autres que H+ et He++ que l'on appelle ions lourds. Avec les protons, on bombardait les noyaux d'une cible à l'aide de projectiles eux-mêmes constituants de ces noyaux (nucléons), alors qu'avec les faisceaux d'ions lourds on projette un ensemble de nucléons sur un autre ensemble de nucléons.
Mais pour que des ions krypton pénètrent dans les noyaux les plus lourds, ceux d'uranium par exemple, il faut leur fournir une énergie d'environ 500 millions d'électron volts (MeV). Si les ions krypton étaient des atomes totalement épluchés de leurs électrons, leur charge serait alors 36, et une tension de 500/36 mégavolts (MV) suffirait, ce qui fait encore environ 14 millions de volts. On conçoit que la meilleure solution serait de produire des ions les plus épluchés possibles. On a donc essayé d'obtenir un taux d' ionisation élevé en imaginant des sources d'ions différentes des anciennes sources à décharger des premiers cyclotrons. Elles ont été inventées à Grenoble, à la fin des années 1970, et ont été adoptées en quelques années sur tous les grands accélérateurs. Appelées E.R.C. (électrons en résonance cyclotronique), ces sources sont constituées de deux petites cavités dans lesquelles les atomes gazeux à ioniser sont « chauffés » par des micro-ondes. Dans la première enceinte, à une pression de 100 pascals, l'énergie fournie par les micro-ondes crée un plasma d'ions positifs (une fois chargés) et d'électrons. Ce plasma est confiné par un champ magnétique axial et conduit vers la seconde enceinte. Dans celle-ci, la pression est beaucoup plus basse (0,01 P) et un champ magnétique hélicoïdal très puissant, dû à des aimants permanents au dysprosium, assure le confinement du plasma très peu dense. Dans ce vide, les électrons tournent sur une trajectoire hélicoïdale avec une fréquence de rotation proportionnelle au champ magnétique. Avec les intensités de champ que l'on sait produire, on atteint une fréquence supérieure à 10 mégahertz. Un klystron produit des micro-ondes ayant la même fréquence. Ces ondes, entrant en résonance avec les électrons, leur transfèrent de l'énergie à chaque rotation. Ils atteignent de 20 à 30 kiloélectronvolts (keV).[...]
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Écrit par
- Marc LEFORT : professeur émérite
- Bernard PIRE : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau
Classification
Pour citer cet article
Marc LEFORT et Bernard PIRE. NUCLÉAIRE (PHYSIQUE) - Faisceaux d'ions lourds [en ligne]. In Encyclopædia Universalis. Disponible sur : (consulté le )
Médias
Fusion incomplète de deux noyaux
Encyclopædia Universalis France
Fusion complète entre deux noyaux
Encyclopædia Universalis France
Formes de noyaux
Encyclopædia Universalis France
Autres références
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ACCÉLÉRATEURS DE PARTICULES
- Écrit par Michel CROZON, Jean-Louis LACLARE
- 3 528 mots
- 3 médias
...qui permit de disposer de sources de particules de faible vitesse : particules α ou noyaux d'hélium (rayonnement α) et électrons (rayonnement β). La physique nucléaire expérimentale démarra avec l'étude des effets de ces rayonnements sur les noyaux atomiques. Très vite, on éprouva le besoin de changer... -
ALPHA RAYONNEMENT
- Écrit par Bernard PIRE
- 184 mots
Rayonnement le moins pénétrant émis par les substances radioactives, sous la forme de noyaux d'hélium 4. Il avait été reconnu dès 1903 par Ernest Rutherford comme formé de particules chargées positivement et de masse proche de celle de l'atome d'hélium. La théorie de la désintégration...
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ANTIMATIÈRE
- Écrit par Bernard PIRE, Jean-Marc RICHARD
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- 4 médias
Les antiprotons lents ouvrent des perspectives inédites en physique nucléaire. En frôlant les noyaux, les antiprotons peuvent exciter des niveaux d'énergie qui ne sont pas facilement accessibles avec des électrons ou des protons. L'annihilation d'un antiproton sur un noyau correspond à un dépôt très... -
ASTRONOMIE
- Écrit par James LEQUEUX
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Les relations entre l'astronomie et la physique nucléaire sont tout à fait comparables. La découverte de l'origine de l'énergie libérée par le Soleil a suivi de peu celle de la transmutation nucléaire, c’est-à-dire la possibilité pour un élément chimique de se transformer en un autre par modification... - Afficher les 55 références
Voir aussi
- IONS
- CIBLE, physique
- ISOTOPES
- TRANSURANIENS
- ACCÉLÉRATEURS DE PARTICULES
- NUCLÉAIRE CHIMIE
- IONISATION
- NOYAU ATOMIQUE
- COLLISIONNEURS DE PARTICULES
- DÉTECTEURS DE PARTICULES
- FUSION INCOMPLÈTE, physique nucléaire
- PHASE TRANSITIONS DE
- MOMENT D'INERTIE
- VITESSE
- ROTATION
- COLLISION, physique
- NUCLÉAIRES RÉACTIONS
- PLASMAS
- CHARGE ÉLECTRIQUE
- COUCHES MODÈLE EN, physique nucléaire
- NUCLÉONS
- GOUTTE LIQUIDE MODÈLE DE LA
- DURÉE DE VIE ou VIE MOYENNE, physique
- INSTABILITÉ, physique nucléaire
- ÉNERGIE DE LIAISON
- IONS SOURCES D'
- BOMBARDEMENT IONIQUE
- ÉLÉMENTS ARTIFICIELS
- SPIRAL (Système de production d'ions radioactifs en ligne)
- RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider)
- MODÈLE, physique
- IONS LOURDS FAISCEAUX D'
- FUSION NUCLÉAIRE
- STABILITÉ, physique nucléaire
- CONFINEMENT, chromodynamique
- ÉNERGIE CINÉTIQUE
- GANIL (Grand Accélérateur national d'ions lourds)
- TEMPÉRATURE CRITIQUE
- RADIOACTIVITÉ ARTIFICIELLE
- MODÈLE NUCLÉAIRE
