Principales innovations en Physique

C’est avant tout le désir de résoudre des problèmes pratiques et concrets qui a guidé Richard Geller dans ses recherches. En particulier, si l’élaboration des sources d’ions a été rendue possible grâce aux lois d’échelle originales qu’il a élaboré, c’est surtout ensuite le développement concret des sources, leur fiabilisation et la recherche d’applications qui l’ont particulièrement motivé.

A. Techniques du vide

B. Physique des Sources d’Ions et couplage des ECRIS aux accélérateurs de particules

C. Développement des ECRIS et de leurs applications

A. Techniques du vide

Développement du spectromètre à Hélium (1954)

Fabriqué en grande série (50 000 exemplaires) dans le monde, appareil construit par Thomson, Alcatel, Leybold, Balzers etc... Encore fabriqué aujourd’hui, utilisé mondialement pour les systèmes de vide poussé et toujours utilisé actuellement dans les laboratoires.

Construction de la première pompe turbo-moléculaire

Fabriquée sous licence C.E.A./SNECMA en grande série (100 000 exemplaires) chez Leybold, Alcatel, Balzers et différentes sociétés américaines, japonaises, chinoises ...

B. Physique des Sources d’Ions et couplage des ECRIS aux accélérateurs de particules

Invention de la première source d’ions à la résonance cyclotron électronique (1965), dite ‘ECRIS’ (Electron Cyclotron Resonance Ion Source)

Développement de nombreux prototypes d’ECRIS dont certains sont utilisés en applications industrielles pour le traitement de surface. Mise au point de la première ECRIS pour ions multichargés (1974) et améliorations progressives de ses performances jusqu’à présent (miniaturisation à l’aide d’aimants permanents puis supraconducteurs, et augmentation des énergies fournies, qui ont permis l’adaptabilité des sources à des applications très diverses). Cette dernière activité a eu des répercussions impressionnantes dans diverses branches de la recherche fondamentale. Elle a lancé une nouvelle physique nucléaire (celle des ions lourds) et a permis d’étendre les recherches en physique atomique.

Application aux accélérateurs de particules

Ce type de source, en fournissant des charges ionisées élevées, permet d’accroître de façon spectaculaire l’énergie des ions accélérés sans modifier la structure des accélérateurs donc sans augmenter le prix des expériences. Ainsi un certain nombre d’accélérateurs anciens ont connu une véritable renaissance et ont développé des activités nouvelles. D’une façon générale, grâce à cette source, les grands accélérateurs internationaux GANIL, MSU, GSI, etc... ont pu produire de nouveaux éléments isotopiques.

A partir de 1980 presque tous les accélérateurs du monde (cyclotron, synchrotron, linacs, ...) s’équipent avec des ECRIS dont une trentaine ont été directement fabriqués à Grenoble et installés ensuite dans la Communauté Européenne, les USA, la Russie, le CERN, la Chine, le Japon...

Depuis 1985 des équipes internationales de quelques 500 physiciens travaillent avec ces faisceaux d’ions lourds pour sonder le modèle standard et la théorie du Big Bang. Ceci a conduit à de nouvelles recherches dans la domaine de la physique des particules lourdes et d’aborder par l’expérience par exemple, la physique des hautes énergies impliquées dans le Big Bang, et de la soupe primitive de notre univers.

Ainsi, le CERN, remplaçant ses sources d’ions classiques par des ECRIS, a pu passer de 200 GeV pour les protons en 1985 à environ 90 TeV pour les ions de plomb en 1994, soit gagner un facteur de 450 sans bourse délier. Le CERN a pu ainsi aborder la physique du Big Bang (mise en évidence du déconfinement des gluons et des quarks) qui ne passionne pas seulement les physiciens des particules étranges. Des études sont programmées à partir de 2009 au LHC (Large Hadron Collider) du CERN avec des ions Pb27+ à 600 TeV.

C. Développement des ECRIS et de leurs applications

Ligne de champs d’une source d’ions ECRIS

La fiabilité et la longévité des ECRIS a permis des utilisations interrompues de faisceaux intenses multichargés, rendant possible la découverte des éléments transuraniens super lourds de la table de Mandeleev 110, 111, 112, 114, 116, et en 2006 l’élément 118, ainsi que la formation d’isotopes nouveaux (GSI, Doubna, Berkeley). Par ailleurs, sans accélérateur, les ECRIS ont aussi permis une renaissance de la physique atomique et la encore des centaines de physiciens sont actifs, dans une perspective de long terme dans différents instituts dans le monde (au moins 20 laboratoires spécialisés).

La découverte récente de la méthode 1+/n+ donnera à son tour la possibilité d’études nouvelles pour les ions radioactifs ISOL au plan international (recherches en astrophysique notamment). En particulier au CERN, les nouvelles sources de faisceaux d’ions radioactifs se substituent actuellement aux Penning Trap dans le programme Rex Isolde car elles permettent d’augmenter d’un facteur 10000 le nombre d’événements rares par rapport aux dispositifs classiques.

Dès la fin des années 70, j’ai eu le désir que les sources ECR puissent aider aux traitements de cancers grâce à la très grande précision avec lesquelles on peut viser des tumeurs malignes sans détruire l’environnement cellulaire. Depuis 1994, les ECRIS sont devenus les sources d’ions incontournables pour la cancérothérapie par ions lourds (HIMAC) pour des tumeurs réputées jusque là incurables comme au cerveau (Chiba Japon , GSI Darmstadt, et bientôt Heidelberg, Padoue, Lyon (projet Soleil) et d’autres hôpitaux européens actuellement en développement).

Les sources ECRIS ont souvent supplanté les sources d’ions classiques dans des domaines tels que le traitement de surface, l’implantation ionique, les microgravures, mais aussi percent dans les domaines de haute technologie tel que la micro-électronique (gravures sur de larges surfaces à des échelles inférieures aux dizaines de nm) ou les nanotechnologies... Ceci a été rendu possible grâce à l’augmentation des performances, de la fiabilité et de la miniaturisation des sources, qui ont permis à leur tour d’adapter les sources à des applications technologiques variées.

Enfin, les sources ECR sont à l’ordre du jour dans des applications telles qu’à la NASA pour la propulsion ionique dans l’espace, pour des procédés de métallurgie à froid, pour purifier à bas prix l’eau dans les pays les moins avancés économiquement, ou en biotechnologie, avec par exemple l’élaboration de nouvelles espèces à gènes modifiés tels que des agrumes poussant dans l’eau de mer...