Cavités radiofréquence

Des enceintes métalliques abritant des champs électromagnétiques accélèrent des paquets de particules bien groupés (Image: CERN)

Une cavité radiofréquence (RF) est une enceinte métallique qui abrite un champ électromagnétique. Son rôle principal est d'accélérer des particules chargées. Les cavités RF sont disposées comme des perles sur un fil : les perles sont les cavités, et le fil représente le tube de faisceau d’un accélérateur, à travers lequel les particules se déplacent dans le vide.

Pour permettre aux cavités RF d’accélérer les particules, un générateur de puissance RF produit un champ électromagnétique. La taille et la forme d’une cavité RF sont déterminantes pour assurer la résonnance du champ électromagnétique et son intensification dans la cavité. Les particules chargées traversant la cavité sont soumises à la force et à la direction du champ électromagnétique obtenu, et son énergie les pousse en avant dans l'accélérateur.

Le champ d’une cavité RF est généré pour osciller (changer de direction) à une fréquence donée ; il est donc important que les particules arrivent à un moment précis.  Toutes les cavités RF du Grand collisionneur de hadrons (LHC) sont réglées pour osciller à une fréquence de 400 MHz. Un proton qui arrive au moment idéal, et avec l’énergie idéale, ne subit aucune tension d’accélération lorsque le LHC fonctionne à pleine énergie. En revanche, des protons avec des énergies légèrement différentes, arrivant plus tard ou plus tôt, sont accélérés ou ralentis de manière à ce que leur énergie retrouve une valeur idéale. Le faisceau de particules est ainsi découpé en groupes de protons, appelés « paquets ».

Le LHC accélère les faisceaux de protons et les fait entrer en collision dans les quatre grands détecteurs : ALICE, ATLAS, CMS et LHCb. Les particules sont injectées dans le LHC à une énergie de 450 GeV, puis sont portées à 4 TeV, soit près de dix fois leur énergie initiale.  À ce niveau d’énergie, un proton parcourt environ 11 000 fois par seconde les 27 kilomètres du LHC.

Lors du processus d’augmentation d’énergie, les protons de chaque paquet se déplacent en bloc et accélèrent à l'unisson à chaque passage dans les cavités, afin d’atteindre l'énergie nécessaire pour s’adapter à l’augmentation du champ dans les puissants aimants du LHC. L’énergie maximale est atteinte au bout d’environ 15 minutes, durant lesquelles les paquets de protons ont traversé les cavités RF à peu près un million de fois.

Les 16 cavités RF du LHC sont placées dans quatre réfrigérateurs cylindriques – deux par faisceau – appelés cryomodules, ce qui leur permet de fonctionner à un état supraconducteur, sans perdre d’énergie par résistance électrique.

Chaque cavité RF du LHC est pilotée par un klystron haute puissance (tube contenant des faisceaux d’électrons). Au sein du klystron, un faisceau d’électron haute puissance est modulé en intensité à une fréquence de 400 MHz. Un tube rectangulaire en métal conducteur, appelé guide d'ondes, transmet l’énergie à la cavité RF. Chaque cavité peut atteindre une tension maximale de 2 MV, soit 16 MV par faisceau.

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