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Accueil > Les numéros > DocSciences 4 : Pleins feux sur la lumière Synchrotron

Synchrotron, rayon SOLEIL

Drôle de soleil que ce synchrotron !
Comme notre étoile, il émet des rayonnements, mais la comparaison s’arrête là. Aucune planète ne tourne autour, il attire plutôt les scientifiques qui trouvent en lui un outil incontournable pour explorer l’infiniment petit.

Drôle de soleil que ce synchrotron !

Toute particule chargée, l’électron en particulier, soumise à l’action d’un champ magnétique émet de l’énergie sous forme d’un rayonnement électromagnétique. Ce phénomène est observé pour la première fois en 1947 aux États-Unis dans un accélérateur de particules qui tenait à l’époque sur une table. On le considère alors comme un rayonnement parasite : une émission, donc une perte d’énergie des particules… Par la suite, à partir des années 1960, ce phénomène a été reproduit et amplifié dans des accélérateurs circulaires de plus en plus grands. La brillance (Voir en bas de page) de ces sources de lumière a été multipliée par 1012 ouvrant la voie à l’acquisition de connaissances de plus en plus détaillées tant en sciences du vivant qu’en sciences de la matière. Dès lors, le rayonnement synchrotron est devenu un outil incontournable au service de toutes les communautés scientifiques et industrielles.

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Vue d’artiste du synchrotron (© SOLEIL / J.-F. Santarelli)
Dans cette machine, l’énergie des paquets d’électrons lancés dans la rampe (1) grandit à chaque tour de Booster (2). En 1/6e de seconde, les électrons réalisent 150 000 tours et leur énergie est multipliée par 30 !
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UN NOM ÉVOCATEUR

Aujourd’hui, il en existe quelque quatre-vingts dans le monde dont deux en France : l’Installation européenne de rayonnement synchrotron (ESRF) à Grenoble et celui, portant le nom évocateur de SOLEIL, situé à Saint-Aubin (91). SOLEIL est l’acronyme de Source Optimisée de Lumière d’Énergie Intermédiaire du Lure, le Lure étant lui-même l’acronyme de Laboratoire d’Utilisation du Rayonnement Électromagnétique, le laboratoire pionner dans l’utilisation du rayon synchrotron en France.

Un synchrotron produit donc une lumière ou, plus précisément, un rayonnement électromagnétique extrêmement brillant, que d’autres sources ne peuvent produire avec la même qualité et la même intensité. La gamme spectrale de ce rayonnement s’étend, à SOLEIL, de l’infrarouge aux rayons X, et permet d’explorer des objets jusqu’à des tailles nanométriques tels que les atomes.

PLUSIEURS TOURS DE CHAUFFE

Au synchrotron SOLEIL, tout commence dans le Linac, un accélérateur linéaire d’électrons de 16 m de long. Son rôle est de produire un faisceau d’électrons pulsé (par bouffées de 300 nanosecondes [ns], trois fois par seconde, soit une fréquence de 3 hertz [Hz]), de l’accélérer quasiment à la vitesse de la lumière et de l’amener jusqu’à une énergie de 100 millions d’électronvolts (MeV) (Voir en bas de page).

Le top départ est donné par le canon à électrons (comparable à celui que l’on trouve dans un téléviseur à tube cathodique) qui se situe à l’extrémité du Linac : une pastille de métal est chauffée et produit alors des électrons. Un champ électrique haute fréquence (3 gigahertz [GHz]) les regroupe en paquets. Puis, ces paquets prennent de la vitesse, en augmentant leur énergie, grâce à une onde électromagnétique injectée dans des sections accélératrices par des générateurs haute fréquence à 3 GHz. On peut imaginer les paquets d’électrons utilisant l’onde électromagnétique un peu comme un surfeur utilise la vague pour gagner de la vitesse. Après avoir été accélérés dans ce pré-injecteur linéaire, les paquets d’électrons sont dirigés vers un deuxième accélérateur, le Booster.

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L’intérieur de l’anneau de stockage (© SOLEIL / CK)
L’anneau de stockage renferme une machinerie complexe. Il est inaccessible lorsque le synchrotron est en fonctionnement. En effet, dans cette zone, où circulent les électrons (dans un tube sous vide), il règne un niveau de radiation intense

Cet accélérateur est circulaire avec une circonférence de 157 m. Là, en une fraction de seconde, leur énergie va augmenter considérablement et passer de 100 MeV à 2 750 MeV (ou 2,75 GeV). Un champ électrique oscillant à 352 MHz et généré dans une cavité accélératrice leur fournit, à chaque passage, une dose d’énergie supplémentaire. Il leur faut 150 000 tours pour atteindre les 2,75 GeV attendus et, comme ils circulent à la vitesse de la lumière, à peine un sixième de seconde pour y parvenir ! Les électrons, toujours regroupés en paquets espacés de 80 cm, peuvent alors poursuivre leur course. Extraits du Booster, ils sont injectés dans l’anneau de stockage. Une centaine de séquences d’injection (Linac-Booster) sont nécessaires pour accumuler un grand nombre d’électrons dans l’anneau, et atteindre un courant de 500 mA. Ces électrons vont alors y tourner pendant des heures en émettant, vers les lignes de lumière, le rayonnement tant attendu par les scientifiques pour la réalisation des expériences. Au bout de huit heures, environ 30 % des électrons ont été perdus, et une nouvelle séquence d’injection est nécessaire pour revenir à l’intensité initiale.


Brillance : Nombre de photons par seconde par unité d’angle solide et de surface transverse de la source. La brillance caractérise la qualité d’un rayon lumineux. Plus un rayon est fin et intense, plus il est brillant. Retour au texte

Électronvolts : Cette unité se note eV, elle mesure l’énergie. 1 eV équivaut environ 1,6 x 10– 19 joules. Retour au texte

En savoir plus

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Voir : Galerie Synchrotron