La réduction de la consommation d’énergie constitue un enjeu majeur dans la conception de toute nouvelle machine. Dans les collisionneurs électron-positon, comme les « usines à Higgs » actuellement à l’étude, près de 50 à 60 % de l’énergie totale consommée sert à l’alimentation des cavités radiofréquence (RF), responsables de l’accélération des faisceaux. Des travaux de recherche menés actuellement au CERN laissent entrevoir des gains énergétiques considérables dans ce domaine.
Dans un collisionneur circulaire comme le Futur collisionneur circulaire, faisant actuellement l’objet d’une étude, les particules (électrons et positons) perdent constamment de l’énergie dans les courbes sous forme de rayonnement. Pour cette raison, les cavités RF doivent constamment apporter de l’énergie. Dans un collisionneur linéaire, le défi énergétique est tout aussi crucial : chaque faisceau ne traverse chaque cavité qu’une seule fois. Il doit donc acquérir toute son énergie en un seul passage. Dans les deux cas de figure, les cavités accélératrices sont alimentées par des dispositifs appelés « klystrons », et c’est précisément à ce niveau que des gains d’efficacité majeurs peuvent être réalisés.
Les klystrons sont des tubes à vide spécialisés capables d’amplifier des ondes radio de haute fréquence jusqu’à un facteur d’un million. Les ondes électromagnétiques ainsi générées excitent de puissants champs électriques à l’intérieur de cavités RF réglées avec une extrême précision, qui permettent de porter les faisceaux de particules à des énergies élevées. Conçus dans les années 1930 pour améliorer les systèmes radar embarqués des avions, les klystrons sont aujourd’hui utilisés dans les systèmes de communication par satellite, la radiodiffusion, ainsi que dans les accélérateurs de particules destinés aux applications médicales, industrielles ou scientifiques. Toutefois, jusqu’à présent, leur rendement énergétique était limité à seulement 60 %.
Le projet de klystrons à haut rendement (High-Efficiency Klystron – HEK), lancé il y a dix ans par le CERN en collaboration avec l’Université de Lancaster, a permis de produire des résultats significatifs. Les klystrons à haut rendement développés pour le LHC à haute luminosité affichent déjà une efficacité supérieure de 10 % à celle des modèles classiques, et les équipes du CERN visent désormais un rendement supérieur à 80 %. Mieux encore, l’amélioration d’un type de klystron atypique appelé le « triston », concept méconnu exhumé de l’histoire du génie radiofréquence et remis au goût du jour par les équipes du CERN, pourrait même permettre jusqu’à 90 % de rendement. Voilà qui promet des perspectives d’utilisation au-delà du seul domaine des accélérateurs.
Pour en savoir plus, retrouvez l’article complet (en anglais) dans CERN Courier.
