Juin 1931: Lawrence et le Premier Cyclotron
La photo ci-dessus représente Lawrence et Livingston vers 1933, ainsi qu’une photo du cyclotron de table.
Les années 1920 ont marqué la transition des États-Unis vers une société moderne basée sur la technologie et ont également été une période de réalisations individuelles importantes. Dans le monde de la science, un professeur de physique de 27 ans à Berkeley, en Californie, a commencé les travaux qui lanceraient une ère moderne de laboratoires nationaux multidisciplinaires.
Ernest Orlando Lawrence est né en août 1901 dans une petite ville de la prairie du Dakota du Sud de parents d’ascendance norvégienne. Adolescent, il a bricolé des radios, entrant au St. Olaf College dans le Minnesota à 16 ans. Après un an, il a été transféré à l’Université du Dakota du Sud, où un professeur de génie électrique l’a convaincu que son intérêt pour la radio serait bien orienté vers une carrière en physique plutôt qu’en médecine. Après avoir obtenu son diplôme avec mention en 1922, il poursuit des études supérieures à l’Université du Minnesota avec W.F.G. Swann, que Lawrence suit à l’Université de Chicago puis à Yale, où il complète son doctorat en 1924 avec une thèse sur l’effet photoélectrique. Lawrence est resté à Yale en tant que boursier postdoctoral, poursuivant ses recherches sur la photoélectricité, et a commencé à travailler sur la façon dont les atomes d’un gaz frappé par des électrons sont ionisés.
En 1928, Lawrence a rejoint la faculté de l’Université de Californie à Berkeley, avec un poste qui comprenait des connexions au département de chimie d’UCB. Cet accès à des scientifiques et à des étudiants d’autres disciplines a été essentiel au succès de Lawrence en tant que chercheur et a établi le modèle du laboratoire unique qu’il a créé par la suite.
Inspiré par un article de l’ingénieur norvégien Rolf Wideroe, Lawrence a inventé un accélérateur de particules circulaire unique qui est devenu connu sous le nom de cyclotron. Le concept de Wideroe était basé sur l’utilisation du même potentiel électrique deux fois, doublant l’énergie en passant du potentiel positif au potentiel négatif afin de pousser les ions puis de les tirer. Lawrence jugea le schéma linéaire de Wideroe peu pratique pour les particules atomiques légères, car il nécessiterait un tube à vide de plusieurs mètres de long. Mais cela l’a inspiré à réfléchir à la façon dont on pourrait utiliser le même potentiel plusieurs fois au lieu d’une seule fois. Il a conçu l’utilisation d’un champ magnétique pour plier les particules chargées en trajectoires circulaires et ainsi les faire passer à travers la même région d’accélération encore et encore.
L’idée nécessitait une combinaison de techniques sophistiquées: une chambre à vide poussé avec des champs électriques variant aux fréquences radio et avec certains moyens de maintenir les particules dans un seul plan horizontal. Le premier dispositif de ce type était une concoction en forme de tarte de gaz, de cire à cacheter et de bronze qui incorporait également une chaise de cuisine et un arbre à vêtements en fil de fer pour le fonctionnement. Ce prototype a prouvé que le concept fonctionnait.
Achevée à l’été 1931, la chambre d’accélération du premier cyclotron mesurait cinq pouces de diamètre et boostait les ions hydrogène à une énergie de 80 000 électrons volts. Ses assistants ont ensuite construit le cyclotron de 11 pouces, qui a brisé la barrière du million d’électrons volt (MeV), mais Lawrence rêvait déjà de construire un cyclotron avec une chambre d’accélération de 27 pouces de diamètre et capable d’atteindre des énergies de près de 5 MeV. Ayant besoin de plus d’espace de laboratoire, Lawrence a acheté à l’université un bâtiment vide adjacent au département de physique en août 1931, qu’il a rebaptisé le Laboratoire de rayonnement, ou « Laboratoire Rad ». »
La chambre d’accélération de 27 pouces du premier cyclotron du laboratoire Rad a rapidement été remplacée par une chambre de 37 pouces avec une capacité d’accélération de 8 MeV pour les deutérons et de 16 MeV pour les particules alpha. En 1936, la machine avait été utilisée pour créer des radio-isotopes et le premier élément artificiel, le technétium. À cette époque, Lawrence a invité son frère, John, un médecin, à se joindre au laboratoire et à explorer l’utilisation des radio-isotopes en biologie et en recherche médicale, aboutissant à la construction du laboratoire Crocker, avec une chambre d’accélération mesurant 60 pouces de diamètre. Il a commencé à fonctionner en 1939. La même année, Lawrence a reçu le prix Nobel de physique en reconnaissance de son dispositif révolutionnaire.
Le cyclotron suivant de Lawrence comportait un aimant pesant 4 000 tonnes et une chambre d’accélération de 184 pouces de diamètre, capable d’accélérer les particules atomiques à des énergies supérieures à 100 MeV. Pour abriter la machine et les installations expérimentales nécessaires, un site permanent pour le laboratoire Rad a été construit à proximité de Charter Hill, achevé en 1946.
Le développement du cyclotron de Lawrence a contribué à changer notre compréhension de la nature, de la structure microscopique de la matière au métabolisme humain, du processus de photosynthèse à la création de nouveaux éléments chimiques, dont le numéro 103 (lawrencium). Lawrence a également créé le modèle du laboratoire big-science, dont deux portent son nom: le Laboratoire National Lawrence Berkeley et le Laboratoire national Lawrence Livermore. Les laboratoires de Lawrence ont poussé l’approche interdisciplinaire dans de nouveaux domaines aussi fructueux que la recherche environnementale, les sources d’énergie alternatives, l’astrophysique et la biologie moléculaire. Lawrence est décédé le 27 août 1958 d’une colite chronique à l’âge de 57 ans.
Adapté en partie d’une exposition en ligne du Centre d’histoire de l’Institut américain de physique, « The Legacy of E.O. Lawrence. » Voir http://www.aip.org/history/lawrence/ pour l’exposition complète.
