Les accélérateurs de particules trouvent plusieurs applications au-delà de la recherche en physique fondamentale. Après un premier accélérateur miniature développé pour un injecteur compact en protonthérapie, le CERN construit un nouvel accélérateur haute fréquence transportable pour l’étude d’œuvres d’art.

L’accélérateur repose sur la technique d’émission de rayons X créés à partir de protons, ou PIXE (proton-induced X-ray emission). Dans le cadre de ce projet, le CERN travaille depuis la mi-2017 à la construction d’un nouveau quadripôle radiofréquence (RFQ). Une dynamique de faisceau innovante a été développée afin que le quadripôle radiofréquence PIXE-RFQ soit plus compact et consomme moins d’électricité. Il a ainsi été possible de réaliser un accélérateur de protons d’un mètre de longueur, capable de fournir un faisceau de 2 MeV avec une consommation d’électricité inférieure à 6 kVA.

L’étude d’objets appartenant au patrimoine culturel nécessite l’utilisation d’une technique d’analyse in situ non destructive. Un accélérateur transportable utilisant la technique PIXE offre un moyen unique de s’affranchir des limites liées à la méthode à fluorescence X mobile couramment utilisée. La technique PIXE présente une meilleure sensibilité, fournit des informations par couches en utilisant différentes énergies de protons, et est capable d’exploiter d’autres réactions (émissions gamma, rétrodiffusion de particules) pour une analyse plus efficace.

Le CERN et l’INFN collaborent sur un projet commun appelé MACHINA – Movable Accelerator for Cultural Heritage In-situ Non-destructive Analysis (accélérateur mobile pour l’analyse non destructive in situ d’objets du patrimoine culturel). L’INFN, et en particulier le « Cultural Heritage Network » (CHNet), a plus de 35 ans d’expérience dans l’analyse des objets du patrimoine culturel avec des accélérateurs. Dans le cadre d’une collaboration avec l’Opificio delle Pietre Dure (OPD) de Florence, des œuvres d’art de Léonard de Vinci, Antonello de Messine, Vasari et Mantegna notamment ont été étudiées. Grâce à la collaboration avec l’INFN-CHNet, la technologie des accélérateurs de protons compacts développée au CERN peut être optimisée et utilisée pour des projets du patrimoine culturel.

En décembre dernier, le quadripôle radiofréquence PIXE-RFQ a franchi un cap important : après une année et demie environ d’usinage de haute précision et de métrologie dans les ateliers du CERN, les quatre pôles du premier des deux modules ont été assemblés par brasage sous vide. La modulation au niveau des pôles permet l’accélération des particules ; l’extrémité des pôles doit être usinée avec une précision de 10 µm. Les pôles, qui ont une longueur de 50 cm et une hauteur de 7 cm, doivent être assemblés avec une précision de 30 µm. Le brasage sous vide est la meilleure technique pour cet assemblage et, grâce à une procédure élaborée initialement pour le quadripôle radiofréquence du Linac4, le processus est à présent bien au point : durant un cycle de chauffage contrôlé, sous vide, les fils d’un alliage d’argent et de cuivre fondent, et ce liquide s’écoule entre les pièces. Des ressorts sont utilisés pour l’alignement durant la phase de chauffage. Après refroidissement et solidification, un joint parfait est ainsi créé entre les pièces de cuivre.

La construction du nouvel accélérateur n’est pas encore achevée, mais le projet MACHINA/PIXE-RFQ est en très bonne voie. De premiers tests avec faisceau sont prévus pour la fin 2019 et une première analyse d’un objet d’art réel à l’Opificio delle Pietre Dure doit être réalisée en 2020.

La construction du quadripôle radiofréquence PIXE-RFQ est entièrement prise en charge par le Fonds KT du CERN, avec des contributions des groupes EN/MME et BE/RF.

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