4. La charge d'espace
On a considéré que les particules en mouvement n'exerçaient aucune action les unes sur les autres. L'action de répulsion électrique entre charges de même signe et l'action sur une particule du champ magnétique créé par le mouvement des autres charges pouvaient être négligées pour des faisceaux de faible densité. Les trajectoires ne sont alors soumises qu'aux seuls champs créés par les électrodes ou les bobines magnétiques.
Pour des faisceaux denses mais lents, l'interaction de type magnétique entre particules est toujours négligeable. Par contre, l'interaction électrostatique devient importante à mesure que, pour une intensité donnée, l'énergie baisse, ou que la masse des particules est plus élevée. Deux effets doivent alors être étudiés avec soin : les variations de potentiel local dues aux charges, qui viennent modifier la répartition préexistante imposée par les électrodes, et la défocalisation transversale du faisceau provoquée par la répulsion mutuelle. Souvent, le problème ne peut être résolu que de façon approchée, même si l'on recourt à un ordinateur.
L'optique des faisceaux très denses, dans lesquels les forces de charge d'espace jouent un rôle prépondérant s'est considérablement développée depuis une dizaine d'années, en particulier pour résoudre les problèmes posés par la formation, le transport et la focalisation de faisceaux d'ions de très haute intensité (quelques méga-ampères) et de haute énergie (quelques MeV) utilisables pour créer des réactions de fusion thermonucléaire. Il a fallu mettre au point de nouveaux dispositifs de focalisation, et des programmes très élaborés de calcul numérique permettant de simuler avec précision le mouvement des particules tout au long de ces dispositifs.
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