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Prototypes, recherche, innovation

Une démarche collaborative

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Un micro-accélérateur de particules

Vue du tunnel du LHC - Auteur : Maximilien Brice, CERN

Des ondes électromagnétiques pour accélérer les particules

Les physiciens de l’infiniment petit emploient des accélérateurs pour communiquer aux particules de très grandes vitesses afin de produire des collisions énergétiques. Au CERN par exemple, grâce à l’accélérateur LHC (le plus puissant du monde) qui fait 27 km de circonférence, les protons se percutent avec une vitesse égale à 99,999999 % de la vitesse de la lumière. En réalité, les protons sont pré-accélérés dans d’autres machines plus petites avant de pénétrer dans le LHC et subir leur accélération ultime. Par ailleurs, pour diverses applications, notamment médicales, des accélérateurs de particules plus modestes sont également nécessaires pour produire certains rayonnements employés en radiothérapie.

Les particules sont accélérées à l’aide de champs électromagnétiques, un peu comme des surfeurs avançant sur leurs vagues. L’énergie des particules augmente grâce aux ondes électromagnétiques qui leur en fournissent. Souvent, ce sont des microondes qui sont employées. Or, l’énergie du photon associé à l’onde est proportionnelle à la fréquence ou - ce qui revient au même - inversement proportionnelle à la longueur d’onde.

Ondes plus courtes, accélérateurs plus petits

L’idée que des chercheurs de l’université de Stanford aux Etats-Unis ont poursuivie consiste justement à accélérer des électrons avec des impulsions lasers infrarouges dont la longueur d’onde est de l’ordre de 1000 à 100 000 fois plus courte que les microondes. Cela signifie aussi des dimensions autant de fois plus petites. La taille d’un accélérateur comme le LHC devrait donc pouvoir être réduite à quelques dizaines de mètres, voire à moins d’un mètre. Pour le moment, les physiciens sont parvenus à accélérer des électrons à 1 keV (mille électronvolts) sur une distance de 25 micromètres. En effet, le « tube » de l’accélérateur a été dessiné sur une puce en silicium de 25 micromètres de long : il s’agit d’un sillon de 0,25 micromètre de large. C’est dans ce sillon que les électrons ont été accélérés à mille volts, grâce à 100 000 impulsions lasers par seconde traversant le sillon perpendiculairement. Afin que l’énergie des électrons atteigne 1 MeV soit 94% de la vitesse de la lumière, il faudrait mille tubes de ce type, soit une longueur de 25 mm. Compte tenu de l’exploit réalisé, les accélérateurs ultra-miniaturisés devraient voir le jour prochainement.

En savoir plus 
Sur l'utilisation des lasers pour accélérer les particules
https://home.cern/fr/news/news/physics/nobel-work-shines-light-particle-physics

Publié le 20/05/2020
 

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Vers de nouvelles technologies de chargeurs
Indispensables outils du quotidien, les chargeurs s'attaquent à la mobilité

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Des composants indispensables

De nombreux appareils électriques fonctionnant sur piles ont besoin d’être chargés régulièrement. On emploie donc des accumulateurs électrochimiques. Ces derniers sont rechargeables un très grand nombre de fois, contrairement aux piles. Téléphones et ordinateurs portables, tablettes, rasoirs électriques, aspirateurs balais, perceuses… sont d’emblée équipés d’accu. Généralement, l’appareil est connecté à l’aide d’un fil à un chargeur, lui-même branché sur le secteur. Cependant, depuis quelques années, il existe pour certains appareils des chargeurs sans fil. Il suffit alors de poser le téléphone portable sur le chargeur pour que ses accus se chargent sans aucun contact électrique. Comment fonctionnent-ils ? Par induction. Le phénomène, découvert par Faraday au cours des années 1830, repose sur le fait qu’un courant alternatif (il suffit qu’il soit variable en fait) dans un circuit bobiné primaire engendre un second courant alternatif - appelée induit - de même fréquence dans une deuxième bobine placée en face. Le chargeur est ainsi équipé de la bobine primaire alimentée par le secteur, le téléphone étant lui-même muni d’une bobine secondaire dans laquelle le courant induit prend naissance. Les deux circuits primaire et secondaire doivent être adaptés, afin de se « reconnaître » en quelque sorte. C’est la raison pour laquelle n’importe quel chargeur sans fil ne permet pas de charger n’importe quel téléphone.

Le défi de la mobilité

Grâce à cette même méthode il est possible de charger certaines voitures. Pour cela, il suffit que la voiture se positionne au-dessus d’une bobine primaire placée dans le sol.
Après le sans-fil, l’étape suivante serait la possibilité de charger un appareil en mouvement et donc distant du chargeur. Le mouvement perturbe, en ce sens que le secondaire ne reconnaît plus le primaire à moins de changer la fréquence du courant. En 2017, des chercheurs de l’université de Stanford parvenaient à transmettre au circuit secondaire seulement 10 % de l’énergie électrique en jeu dans le primaire. Mais ils viennent d’améliorer ce résultat à 92 % sur une distance de 65 cm, à raison de de 10 joules/seconde soit une puissance de 10 W. Vraisemblablement dans les années à venir les voitures pourront donc se charger pendant qu’elles roulent, et votre téléphone portable se chargera à la maison pendant que vous le porterez sur vous.

Pour en savoir plus

La page consacrée aux systèmes de charge de l'Institut VEDECOM http://www.vedecom.fr/veh-06/

Kamil Fadel
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