Principe

Synchrotrons, synchro-cyclotrons et cyclotrons réfèrent à différents types d'accélérateurs circulaires.

Dans de tels accélérateurs un champ magnétique intense permet d'accélèrer un faisceau de particules. Or, d'après les équations de Maxwell (Les équations de Maxwell, aussi appelées équations de Maxwell-Lorentz, sont des lois fondamentales de la physique. Elles constituent les postulats de base de l'électromagnétisme, avec l'expression de la force électromagnétique de Lorentz.), toute particule chargée se déplaçant de façon non-uniforme (par exemple sur une trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) circulaire) émet un rayonnement électromagnétique (Un rayonnement électromagnétique désigne une perturbation des champs électrique et magnétique.).

Dans le cas d'un synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) ces particules sont généralement des électrons (plus rarement des positrons) et tournent à des vitesses relativistes. On peut donc dire que le rayonnement synchrotron (Synchrotrons, synchro-cyclotrons et cyclotrons réfèrent à différents types d'accélérateurs circulaires.) est un rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) électromagnétique émis par des électrons qui tournent dans un anneau de stockage.

Propriétés

Ce rayonnement dépend de la vitesse (On distingue :) des électrons mais couvre une très large partie du spectre électromagnétique : de l'infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des micro-ondes.) aux rayons X durs.

Il est alors possible soit d'utiliser une gamme spectrale étendue (spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (En analyse, la transformation de Fourier est un analogue de la théorie des séries de Fourier pour les fonctions non périodiques, et permet de leur associer un spectre en fréquences. On cherche ensuite à obtenir l'expression de la...), diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être interprété par la diffusion d'une onde par les...) de Laüe), soit plus habituellement de monochromatiser ce faisceau blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir l'article Corps noir). C'est la sensation visuelle obtenue avec un spectre lumineux...) pour ne travailler qu'avec une bande très étroite de fréquences lumineuses. Dans le cadre de certaines expériences, absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux...) de rayons X EXAFS ou XANES par exemple, la possibilité de faire varier finement l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) du faisceau est un atout fondamental et permet de sonder précisément certaines transitions énergétiques.

Le rayonnement synchrotron est particulièrement brillant (intense et focalisé), il peut l'être 10000 fois plus que la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet)...) solaire. Dans la gamme des rayons X durs, la faible divergence du faisceau permet la mise en œuvre de méthodes de micro-imagerie, à l'échelle de quelques fractions de micromètre (Un micromètre (symbole μm) vaut 10-6 = 0, 000 001 mètre.) sur les lignes les plus performantes.

En outre, le rayonnement synchrotron est :

• assez facilement calculable ;
• très stable par rapport aux sources classiques ;
• polarisé (anisotropie) ;
• pulsé (observation de cinétiques ultra-rapides) ;
• et permet de travailler en cohérence de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) (diffraction cohérente, imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait...) de contraste de phase).

Applications

Les applications sont nombreuses :

• en biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences...) (cristallographie de protéines, dichroïsme circulaire...)
• en science des matériaux (La science des matériaux regroupe les domaines qui étudient la matière qui constitue les objets. Cela va des roches (en géologie) aux métaux en passant par les matériaux de construction (génie...) à vocation fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) ou appliquée (imagerie, diffraction)
• en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général...) et en chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) fondamentale ;
• en micro-fabrication (lithographie X profonde).