Un accélérateur linéaire est un dispositif qui accélère la matière à une vitesse élevée en la déplaçant sur une trajectoire linéaire avec des champs électromagnétiques. Le terme est le plus souvent utilisé pour désigner un accélérateur linéaire de particules, ou linac, qui accélère des atomes ou des particules subatomiques. Accélérateur linéaire peut également faire référence à des dispositifs qui utilisent l’électromagnétisme pour propulser des objets plus gros, tels que des pistolets à bobine et des pistolets à rail. Les accélérateurs linéaires de particules sont couramment utilisés en médecine, dans l’industrie et dans les expériences scientifiques, et les accélérateurs électromagnétiques pour les objets plus gros pourraient avoir des applications futures à des fins telles que les voyages spatiaux et les armes.
Un accélérateur linéaire de particules tire des particules chargées magnétiquement. Il peut s’agir d’atomes entiers chargés, appelés ions, ou de particules subatomiques telles que des protons et des électrons. Premièrement, la particule à accélérer est générée par un dispositif électromagnétique tel qu’une cathode ou une source d’ions et libérée dans une chambre à vide en forme de tuyau garnie d’électrodes. Les électrodes sont ensuite alimentées pour créer des champs magnétiques oscillants qui transmettent de l’énergie à la particule et l’accélèrent dans le tube vers la cible de l’appareil. L’agencement précis des électrodes à l’intérieur du tube, la puissance et la fréquence de l’énergie envoyée dans les électrodes et la taille des électrodes varient tous en fonction des particules accélérées et de l’objectif de l’appareil.
Un exemple simple et très courant est le tube à rayons cathodiques, couramment utilisé dans les téléviseurs, les moniteurs et autres technologies d’affichage. Le tube à rayons cathodiques propulse les électrons dans le tube jusqu’à ce qu’ils frappent une cible solide à l’extrémité du tube constituée de matériaux luminescents appelés phosphores, qui sont généralement des composés de sulfure métallique. Cela provoque la libération d’une partie de l’énergie des électrons sous forme d’émission d’énergie électromagnétique dans les longueurs d’onde que l’œil humain détecte en tant que lumière visible. Les machines à rayons X utilisées en médecine et en recherche biologique suivent un principe similaire, envoyant des flux d’électrons dans le cuivre, le molybdène ou le tungstène pour produire des émissions de rayons X qui peuvent être utilisées pour l’imagerie ou, avec des appareils plus puissants, la radiothérapie.
Les accélérateurs linéaires de particules sont également utilisés dans la recherche scientifique. Les petits appareils sont fréquemment utilisés pour l’imagerie dans la recherche biologique et archéologique. Les accélérateurs linéaires utilisés pour la recherche varient considérablement en taille et peuvent atteindre des dimensions vraiment colossales en raison des niveaux d’énergie extrêmement élevés nécessaires pour produire certains des phénomènes étudiés en physique moderne. Le plus grand accélérateur linéaire de particules sur Terre, situé au National Accelerator Laboratory du SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) à Menlo Park, en Californie, mesure trois kilomètres de long.
Ils sont également utilisés dans certains procédés industriels. Certaines puces de silicium utilisées dans l’électronique moderne sont fabriquées dans un processus incorporant des accélérateurs qui propulsent des atomes chargés entiers au lieu de particules subatomiques, permettant un placement très précis des atomes pendant la production. Les accélérateurs peuvent également être utilisés pour implanter des ions à la surface de matériaux tels que l’acier, modifiant la structure du matériau pour le rendre plus résistant aux fissures et à la corrosion chimique.
Le terme accélérateur linéaire est également parfois utilisé pour des dispositifs qui propulsent des objets plus gros de manière similaire, en utilisant l’électromagnétisme pour accélérer un projectile le long d’une trajectoire rectiligne. Ceux-ci fonctionnent en faisant passer de l’électricité à travers une bobine métallique enroulée autour du canon de l’appareil, une conception appelée pistolet à bobine, conducteur de masse ou pistolet Gauss, ou à travers une paire de rails métalliques positionnés parallèlement les uns aux autres, appelés railgun. Un objet fait d’un matériau ferromagnétique, tel que le fer, peut être accéléré dans le canon de l’appareil avec les champs magnétiques produits par des courants électriques correctement synchronisés. Les canons à bobine ont été proposés comme moyen possible de lancer des cargaisons de la surface de la Terre dans l’espace, et les canons à bobine et les canons à rail sont à l’étude comme armes possibles.