Synchrotron
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Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.

Principe de fonctionnement

Le synchrotron est un instrument permettant l'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est...) à haute 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.) de particules stables chargées. Il se compose principalement des éléments suivants :

  • un petit accélérateur, l'injecteur (Un injecteur est un élément de moteur permettant l'apport du carburant dans la chambre de combustion.), qui prépare les particules à faible énergie ;
  • un anneau magnétique, maintenant les particules 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.) grossièrement circulaire (elle peut être interrompue par des sections rectilignes)
  • des cavités accélératrices destinées à augmenter – ou maintenir – l'énergie des particules tournant tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis,...) de l'anneau.
  • tout un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) d'appareillages annexes : alimentation électrique (Le terme d'alimentation électrique désigne un ensemble de systèmes capables de fournir de l'électricité aux appareils fonctionnant avec cette énergie.) des aimants de courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure quantitative du caractère « plus ou moins courbé » de cet objet. Par exemple :) et des cavités, systèmes à ultravide, sondes de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) de position et de forme du faisceau, systèmes d'injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :) et d'éjection, systèmes de refroidissement, etc.

Les particules sont maintenues dans un vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) extrêmement poussé, tout autour de l'anneau, à l'intérieur d'un tube de forme torique.

La caractéristique du synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) est que l'intensité du champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction, définie...) de l'anneau est maintenue adaptée de façon synchrone à l'énergie du faisceau de particules, afin de les maintenir sur une trajectoire fixe. Il peut en outre y avoir un second anneau, avec des particules tournant en sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du...) inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1...), afin de réaliser des collisions entre particules avec une énergie utilisable très élevée. Ce sont des collisionneurs.

On distingue principalement, par leurs contraintes de construction, deux types de synchrotrons – ou de collisionneurs :

  • les synchrotrons à protons (ou à antiprotons) destinés à l'étude de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) forte ;
  • les synchrotrons à électrons ou à positons. Les collisionneurs comme LEP servent (Servent est la contraction du mot serveur et client.) à l'étude de l'interaction électrofaible.

Par contre, en raison de la faible masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse...) des électrons, l'accélération occasionnée par la courbure de leur trajectoire génère une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de...) électromagnétique, le rayonnement synchrotron (Synchrotrons, synchro-cyclotrons et cyclotrons réfèrent à différents types d'accélérateurs circulaires.). Ce rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) est collecté à différents endroits du tore (Le terme tore a essentiellement deux acceptions distinctes, suivant les usages :), les lignes de 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) à 780nm (rouge). La lumière est intimement liée à la...). Chaque faisceau lumineux rencontre ensuite des lentilles, miroirs ou monochromateurs afin de sélectionner la gamme de longueurs d'ondes et de modifier les caractéristiques du faisceau (taille, divergence) qui sera utilisé dans l'expérience. " Au bout " de chaque ligne de lumière est monté un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide,...) servant de cible. Les photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d'un point de vue...) (ou les électrons) éjectés lors de l'interaction du faisceau incident avec la cible sont détectés par des appareils de mesure ponctuels, linéaires ou bidimensionnels (caméra CCD, image plate). Suivant la taille de l'anneau, jusqu'à des dizaines d'expériences peuvent être menées simultanément.

La suite de cet article concernera les synchrotrons à électrons, considérés comme sources de lumière synchrotron.

Fonctionnement

Schéma de principe du synchrotron
Schéma de principe du synchrotron

Le circuit que traversent les électrons est constitué d'un tube de quelques mm² dans lequel règne un vide poussé (10-10 torr (Le torr (symbole Torr) ou millimètre de mercure (symbole mmHg) est une unité de mesure de la pression initialement définie comme la pression...), soit 10-13 atm). Ce vide est nécessaire pour éviter que les électrons ne heurtent des molécules d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de...) et ne soient ralentis.

Un paquet d'électrons, formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur perçue est haute et inversement. Chaque voyelle se...) un faisceau fin comme un cheveu, est d'abord accéléré dans un accélérateur linéaire (Linac) jusqu'à une vitesse (On distingue :) très proche de celle de la lumière. Puis le faisceau d'électrons passe dans un accélérateur circulaire appelé anneau d (L'anneau D est un anneau planétaire situé autour de Saturne, le plus interne des anneaux de cette planète.)'accélération : le but de cet anneau est d'augmenter l'énergie des électrons jusqu'à atteindre environ 2 GeV (à des vitesses proches de celle de la lumière, une accélération change très peu la vitesse, mais influe sur l'énergie de la particule). Cette valeur de l'énergie de fonctionnement n'est qu'approximative, et dépend du synchrotron. Une fois que les électrons ont atteint l'énergie voulue, ils sont injectés dans l'anneau de stockage (beaucoup plus grand que l'anneau d'accélération, il atteint plusieurs centaines de mètres de circonférence), où ils vont faire des centaines de miliers de tours chaque seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est une mesure...).

En une journée, les paquets l'électrons ont fait des milliards de tours dans l'anneau de stockage. A chaque tour, les électrons perdent un peu leur énergie, d'abord simplement par le rayonnement qu'ils émettent, et aussi, malgré le vide très poussé qui règne dans le tube, par les collisions qui se produisent entre les électrons et les molécules résiduelles d'air. Pour compenser ce phénomène, des cavités accélératrices sont mises en route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie brisée », c'est-à-dire creusée dans la roche, pour...), environ trois fois par jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par...), pour réaccélérer les électrons et leur rendre leur énergie nominale.

Aimants de courbure

L'anneau de stockage n'est pas parfaitement circulaire. Il est constitué d'une trentaine de segments rectilignes. A la jonction (La Jonction est un quartier de la ville de Genève (Suisse), son nom familier est "la Jonquille") entre deux segments, on trouve un aimant (Un aimant est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont le champ rémanent et l'excitation coercitive sont grands (voir ci-dessous). Cela lui donne...) de courbure. C'est un gros électro-aimant générant un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique entre 1 et 2 Tesla (et donc relié à un circuit de refroidissement efficace) orienté perpendiculairement à la trajectoire des électrons. Ce champ dévie les électrons et les aligne dans l'axe du segment suivant. Ainsi, la trajectoire des électrons est un polygône de forme quasiment circulaire.

Au niveau de ces aimants de courbure, les électrons subissent une accélération. D'après la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur l’observation ou...) électromagnétique, cela se traduit par un rayonnement, dit rayonnement de freinage : c'est le rayonnement synchrotron ou bremsstrahlung. Ce rayonnement polychromatique de photons (dont le spectre est relativement large, et peut s'étendre 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...) lointain aux rayons X durs) est émis tangentiellement à la trajectoire des électrons. A cause d'effets relativistes, l'ouverture angulaire du faisceau est extrêmement faible (de l'ordre du milliradian). Le faisceau de photons, qui se sépare du faisceau d'électrons, est envoyé dans les lignes de lumière. Comme les électrons sont groupés en paquets dans l'anneau de stockage, le rayonnement synchrotron est émis sous forme d'impulsions de très courte durée.

Eléments d'insertion

Pour obtenir des faisceaux de photons encore plus intenses, les synchrotrons de troisième génération contiennent ce que l'on appelle " éléments d'insertion ". Ce sont des aimants situés au milieu de chaque segment, en plus des aimants de courbure habituels.

Il en existe deux types : les wigglers, et les ondulateurs. Les deux consistent en des aimants fournissant un champ magnétique alternatif. Au niveau de ces éléments, les électrons subissent de nombreuses accélérations successives, ce qui crée un rayonnement synchrotron bien plus intense que celui créé par un simple aimant de courbure. On place évidemment une ligne de lumière au niveau de chaque élément d'insertion.

La différence entre un wiggler et un ondulateur réside simplement dans la période d'oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à amplitude constante soit amorties. Elles répondent aux mêmes équations quel que soit le domaine.) du champ alternatif (cette période n'est pas anodine, et a des conséquences en termes d'interférences et de largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit la mesure la plus étroite de sa face. En géométrie plane, la largeur est la plus...) de spectre du faisceau synchrotron émis).

Utilisations

La lumière synchrotron possède des caractéristiques exceptionnelles par comparaison aux sources de lumière classiques disponibles en laboratoire : son spectre d'émission s'étend de l'infrarouge aux rayons X avec une brillance (petite taille, intensité) exceptionnelle, le rayonnement est stable, pulsé, et avec une forte cohérence spatiale et temporelle. Il peut ainsi être comparé à un laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain « light...) accordable sur une grande gamme de fréquences spectrales, depuis l'infrarouge lointain jusqu'aux rayons X durs pour les synchrotrons de 3e génération.

Il permet, par ses propriétés, l'accès à de nombreuses expériences, mises en œuvre sur des " lignes de lumière ", véritables laboratoires fonctionnant en parallèle à partir d'un même anneau de stockage :

  • dans les rayons X :
    • fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par diverses formes d'excitation autres que la chaleur. (on parle parfois de « lumière froide »). Elle peut servir à caractériser un matériau.), pour la détermination de la composition élémentaire
    • 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...), par exemple pour l'étude de cinétiques chimiques
    • diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut...), par exemple pour la cristallographie de protéines
    • microtomographie
    • spectroscopie de photo-émission…
  • dans l'ultraviolet (Le rayonnement ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde intermédiaire entre celle de la lumière visible et celle des rayons X.) et le VUV
    • spectroscopie
    • dichroïsme circulaire
  • dans l'infrarouge :
    • micro-spectrométrie 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...)

Ces expériences concernent des domaines très variés, allant de la 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.) et la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) fondamentales, à l'analyse de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) archéologiques (voir par exemple L'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour...) patrimoine et archéologie de SOLEIL (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et composée...)) ou d'organismes microscopiques. Elles peuvent également être employées à des fins industrielles.

Utilisation du rayonnement synchrotron après monochromatisation

Le rayonnement synchrotron émis est polychromatique. Son utilisation principale est néanmoins comme source monochromatique (On qualifie de monochromatique (du grec mono-, un seul et chromos, couleur) une lumière dont la couleur n'est formée que d'une fréquence ou, par...), en plaçant, entre le dispositif expérimental et la source de lumière synchrotron, un monochromateur (Un monochromateur est un dispositif utilisé en optique pour sélectionner une gamme la plus étroite possible de longueurs d'onde à partir d'un faisceau lumineux de gamme de longueurs d'onde plus large. Le nom monochromateur est issu du grec mono...) (cristal diffracteur, réseau). Les conditions de diffractions données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) par la loi de Bragg (Lorsque l'on bombarde un cristal avec un rayonnement dont la longueur d'onde est de l'ordre de la distance inter-atomique il se produit un phénomène de...) nous dit en effet que selon l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) d'incidence du faisceau sur un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot....), on obtient un faisceau d'une longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet complètement...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière....) désirée. La longueur d'onde obtenue peut être variée très précisément, notamment pour mesurer l'évolution de l'absorption d'un échantillon au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions globales...) d'un seuil donné et en déduire des informations chimiques sur l'élément étudié dans le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en...).

Utilisation directe de la source polychromatique

La polychromaticité est également employée directement pour faire des expériences de diffraction de Laue en 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...), de l'absorption de rayons X rapide à l'aide d'un cristal courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les...), de la spectromicroscopie infrarouge à transformée de Fourier à l'aide d'un interféromètre de Michelson.

Les synchrotrons dans le monde (Le mot monde peut désigner :)

Quelques synchrotrons en fonctionnement…

  • synchrotron allemand : BESSY II (1998, (lien)), HASYLAB ((lien))
  • synchrotron canadien : CLS (2004, (lien))
  • synchrotron américain : APS ((lien)), l'ALS (1993, (lien))
  • synchrotron européen : l'ESRF (1994, (lien))
  • synchrotron italien : ELETTRA (1994, (lien))
  • synchrotron japonais : SPring 8 (1997, (lien))
  • synchrotron suisse : Swiss Light Source (2001, SLS) ((lien))
  • synchrotron brésilien : Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) (1997,(lien), Campinas-SP)
  • synchrotron français : SOLEIL ((lien), inauguré en décembre 2006).
  • synchrotron suédois : MAX-Lab (1987,1995,2000(lien)).

… quelques synchrotrons fermés…

  • en France : ACO (Anneau de Collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) d'Orsay), SUPER-ACO et DCI (Dispositif de Collision dans l'Igloo) ((lien)) dont les noms évoquent bien leur utilisation initiale comme collisionneurs, fermés en décembre 2003.
  • en Allemagne : BESSY I (démantelé en 1997), dotation de l'Allemagne à la communauté scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) du Moyen-Orient en Jordanie (Sesame (lien)).

… et quelques synchrotrons en construction

  • synchrotron espagnol : ALBA ((lien), ouverture prévue : 2010)
  • synchrotron anglais : DIAMOND ((lien), ouverture prévue : début 2007)
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