Synchrotron - Définition et Explications

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Introduction

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

Schéma d'un synchrotron à protons - vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) en plan et section d'un électroaimant (Un électro-aimant est un organe électrotechnique produisant un champ électromagnétique...)

Perspective historique

Le principe du synchrotron (Le terme synchrotron désigne un grand instrument électromagnétique destiné...) a été pressenti pendant la guerre, en 1943, par le Pr Oliphant à Birmingham. Les premiers projets américains (Brookhaven et Berkeley, 1947), suivirent de près l'invention du synchrocyclotron. Pour dépasser les limites des cyclotrons, liées aux particules relativistes, il a été imaginé de faire varier la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) de la tension (La tension est une force d'extension.) accélératrice de façon qu'elle reste synchronisée avec le moment de passages des particules. L'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique,...) doit être pulsée et la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) de la tension accélératrice doit être réglée pour que les particules restent groupées (il faut éviter l'extension des paquets de particules le long de leur trajectoire).

Le synchrotron est un instrument pulsé permettant l'accélération à haute énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) de particules stables chargées. Comme le cyclotron (Le cyclotron est un type d’accélérateur circulaire inventé par Ernest Orlando Lawrence en...) il contraint les particules à tourner en rond ( Le mot rond caractérise et par abus de langage désigne un cercle ou une sphère. En...) entre les pôles d'électro-aimants disposés en anneau. Les particules sont accélérées à chaque tour. Pour les maintenir confinées dans le cercle (Un cercle est une courbe plane fermée constituée des points situés à égale...), on ajuste le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...) à l'énergie atteinte par les particules. Les particules sont injectées en bouffées dans l'anneau à bas champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique, accélérées à mesure que croît le champ, puis éjectées quand ce dernier a atteint son maximum. On recommence alors avec une nouvelle bouffée. La stabilité de phase permet aux particules les plus lentes de recevoir une tension accélératrice plus haute que celle appliquée aux particules les plus rapides. Ainsi les particules de la bouffée restent groupées.

Après la seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...) guerre mondiale des synchrotrons successifs ont dépassé l'énergie symbolique de 1 GeV vers 1950, 30 GeV en 1960, 500 GeV en 1972, 1 TeV dans les années 1980. Le synchrotron à protons de 6 GeV a produit les premiers antiprotons à Berkeley en 1956. Entre 1955 et 1970 (Berkeley, Brookhaven, CERN) des synchrotrons à protons ont permis la découverte de résonances, du neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des...) muonique, de la violation de CP.

Les grands synchrotrons à protons ont proposé des faisceaux de toutes sortes de particules, même instables ou neutres. Pions, kaons, antiprotons, muons, neutrinos ont été créés et ont permis d'explorer le proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire...) et d'identifier les quarks. Les machines du Fermilab (500 GeV) et du CERN (SPS, 450 GEV) ont projeté des particules sur d'autres particules au repos (cible fixe) puis ont été transformées en collisionneurs (proton-antiproton) pour monter en énergie.

Fonctionnement d'un synchrotron générateur de lumière synchrotron

Schéma de principe du synchrotron - (c) JF Santarelli - Synchrotron SOLEIL (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...)

En raison de la faible masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) des électrons, l'accélération occasionnée par la courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est...) de leur trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et...) génère une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) électromagnétique, le rayonnement synchrotron (Synchrotrons, synchro-cyclotrons et cyclotrons réfèrent à différents types d'accélérateurs...). Ce rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) est collecté à différents endroits du tore (Le terme tore a essentiellement deux acceptions distinctes, suivant les usages :), les lignes de lumière. 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...) de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) servant de cible. Les photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) (ou les électrons) éjectés lors de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) 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.

Le circuit que traversent les électrons est constitué d'un tube de quelques mm² dans lequel règne un vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) poussé (10-10 torr (Le torr (symbole Torr) ou millimètre de mercure (symbole mmHg) est une unité de mesure de...), 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...) et ne soient ralentis.

Un paquet d'électrons, formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de...) 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...)'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 milliers de tours chaque seconde.

En une journée, les paquets d'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...), environ trois fois par jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...), pour ré accélérer 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. À 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...) de courbure. C'est un gros électro-aimant générant un champ 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 polygone (En géométrie euclidienne, un polygone (du grec polus, nombreux, et gônia, angle) est...) 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,...) 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...) lointain aux rayons X durs) est émis tangentiellement à la trajectoire des électrons. À 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.

Éléments 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 (tortilleurs), 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...) 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...) 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)...) 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...), 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 exemple pour l'étude de cinétiques chimiques
    • diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est...), 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...) 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...)

Ces expériences concernent des domaines très variés, allant de la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) et la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) fondamentales, à l'analyse de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) archéologiques (voir par exemple L'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface...) patrimoine et archéologie de SOLEIL) 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...), 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...) (cristal diffracteur, réseau). Les conditions de diffraction données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) 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...) nous dit en effet que selon l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts...) d'incidence du faisceau sur un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que...), on obtient un faisceau d'une longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) 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...) 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...).

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...), 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...), de la spectromicroscopie infrarouge à transformée de Fourier à l'aide d'un interféromètre de Michelson.

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