European Synchrotron Radiation Facility

European synchrotron radiation facility

Histoire

Fondation	1994

Cadre

Type	Équipement, institut de recherche
Forme juridique	Autre société civile
Domaine d'activité	Recherche-développement en autres sciences physiques et naturelles
Siège	Grenoble
Pays	France
Coordonnées	45° 12′ 31″ N, 5° 41′ 24″ E

Organisation

Membres	22 pays
Effectif	630
Direction	Francesco Sette
Site web	www.esrf.eu/decouvrir

Identifiants

SIREN	338723919
TVA européenne	FR60338723919

Localisation sur la carte de Grenoble

Localisation sur la carte de France

L'European Synchrotron Radiation Facility, en abrégé ESRF (en français « Installation européenne de rayonnement synchrotron »), société civile de droit français créée le 12 janvier 1989, est l'un des trois plus importants synchrotrons actuellement en fonctionnement dans le monde avec l'APS du Laboratoire national d'Argonne aux États-Unis et SPring-8 (en) dans la préfecture de Hyōgo au Japon.

Livré aux scientifiques début 1994 et inauguré sur le polygone scientifique de Grenoble le 30 septembre 1994, cet accélérateur de particules de 844 mètres de circonférence permettant d'explorer la matière et le vivant à l'échelle de l'atome, est financé par 21 pays membres et accueille chaque année près de 7 000 chercheurs.

Description générale

Au départ promis à Strasbourg, le site de Grenoble a été choisi par le gouvernement français en octobre 1984, déclenchant une vague de manifestations en Alsace. En 1986, le CEA détache Jean-Louis Laclare pour diriger la construction du synchrotron à Grenoble.

L'ESRF est composé d'un bâtiment de bureaux pour l'administration et les théoriciens, et d'un accélérateur de particules d'environ 320 m de diamètre, où des électrons sont entraînés à très haute vitesse dans un anneau pour produire du rayonnement synchrotron, qui permet d'observer la matière. Les chercheurs utilisent le faisceau synchrotron (essentiellement des rayons X durs) dans des domaines aussi variés que la physique, la biologie, la géologie, la chimie, la médecine ou l’archéologie. Des industries viennent également l'utiliser pour développer leurs produits.

Vue du synchrotron depuis le Mont Jalla.

Les électrons émis par un canon à électrons sont accélérés dans un accélérateur linéaire et rejoignent un accélérateur circulaire de 300 mètres de circonférence appelé booster synchrotron, qui les accélère jusqu'à une vitesse proche de celle de la lumière. Lorsqu'ils atteignent une énergie de 6 GeV, ils sont injectés dans l'anneau de stockage dans lequel ils tourneront dans le vide, pendant des heures. Sous l'action d'aimants de courbure, les électrons sont alors déviés de plusieurs degrés et émettent des rayons X appelée lumière synchrotron, dans une direction tangente au rayon de courbure et constituent ainsi une ligne de lumière. Au démarrage de l'installation, seules 15 lignes de lumières étaient en service, mais depuis 1998, quarante trois lignes de lumière ou beamlines sont opérationnelles au sein de l’ESRF. Une ligne de lumière est une zone d'expériences composée de :

• Une source de photons issus des électrons tournant dans l'anneau de stockage ;
• Une cabine optique pour filtrer et focaliser le faisceau ;
• Une cabine expérimentale pour disposer un échantillon à observer et les instruments de mesure ;
• Une cabine de contrôle ou se placent les expérimentateurs pour contrôler l'expérience.

L’ESRF est une entreprise qui emploie environ 630 personnes et accueille chaque année près de 7 000 chercheurs qui se succèdent pour effectuer leurs expériences en venant des 21 pays participant à son financement. Ainsi, le comité scientifique du synchrotron doit faire le tri parmi 2 000 propositions d’expériences reçues chaque année afin de n'en retenir que 900. Durant les vingt premières années de son existence, les expériences menées au synchrotron ont donné lieu à 25 000 publications dans de nombreuses revues, notamment Science ou Nature. De nos jours, environ 2 000 publications dans des revues scientifiques sont produites chaque année par les chercheurs accueillis ou travaillant au synchrotron. En avril 2014, l'institution a décidé de modifier son logo en utilisant un bleu plus sombre et en développant une partie de son acronyme au bas du logo.

Formation spécifique du synchrotron

Selon Gabriel Chardin, physicien et président du comité Très grandes infrastructures de recherche au centre national de la recherche scientifique, l'ESRF fait partie des très grandes infrastructures de recherche. Ainsi, en lien avec une autre très grande infrastructure située à proximité, l'institut Laue-Langevin, une formation annuelle est dispensée par l'université Grenoble-Alpes et l'institut polytechnique de Grenoble aux étudiants, post-doctorants et scientifiques internationaux dans le domaine des neutrons, du rayonnement synchrotron ainsi qu'en physique de la matière condensée. Portant le nom d'Hercules, acronyme anglais de Higher European Research Course for Users of Large Expérimental Systems, cette formation théorique et pratique d'une durée d'un mois existe depuis 1991 et reçoit 80 étudiants formés par 150 enseignants pour comprendre et utiliser ces instruments très sophistiqués.

Extension en cours

Vue de dessus de l'accélérateur

Depuis 2009, un ambitieux programme d'amélioration du synchrotron a été mis en œuvre. Le groupe Vicat a été chargé de la construction du gros œuvre pour une surface de 4 500 m². Ce programme en deux parties dont la première pour un montant de 180 millions d'euros inclut entre autres l'extension d'un tiers du bâtiment et des lignes de lumières correspondantes, une amélioration importante de la qualité d'un facteur 100 de la source de lumière ("la machine") et une amélioration des équipements scientifiques et de mesure.

Ce programme qui s'effectue en deux périodes dont la deuxième doit s'étaler de 2015 à 2022 pour un montant de 150 millions d'euros et permettre ainsi de maintenir l'ESRF comme la source de rayons X la plus performante au monde. Avant cette deuxième phase de travaux qui consistera à augmenter la brillance des rayons d'un facteur 100, les rayons X de l'ESRF sont déjà cent milliards de fois plus brillants que les appareils utilisés dans les aéroports pour contrôler les bagages. Cette seconde phase nécessitera l'arrêt du fonctionnement du synchrotron entre janvier 2019 et juin 2020, mais les chercheurs disposeront alors de faisceaux cent fois plus intenses, cohérents et stables que ceux développés en 2015. En décembre 2015, la Banque européenne d'investissement annonce qu'elle débloquera 65 millions pour ce projet.

Création de l'EPN science campus

Entrée du campus rue des Martyrs.

La présence d'autres organismes internationaux de recherche sur le site de la presqu'île a permis au synchrotron de rejoindre l'EPN science campus (European photon and neutron science campus), composé de l'Institut Laue-Langevin du Laboratoire européen de biologie moléculaire et de l'Institut de biologie structurale. Jouant sur la proximité unique au monde d’une source de neutrons et d’une source de rayons X extrêmement intenses, la vingtaine de pays financeurs de ces équipements qui attirent chaque année plus de 10 000 chercheurs a décidé en juin 2010 de leur accorder de nouveaux moyens pour moderniser les instruments et mettre en place de nouveaux partenariats. À cet effet, deux nouveaux édifices communs à ces organismes ont été construits en 2013, dont le bâtiment des sciences d'une superficie de 5 000 mètres carrés et l'institut de biologie structurale d'une superficie de 5 600 mètres carrés . Le synchrotron est également membre fondateur de l'institut de recherche technologique, Nanoelec.

Résultats scientifiques

Le temps d'utilisation des faisceaux est attribué par compétition en fonction de la qualité scientifique des propositions reçues par le synchrotron. Les nombreux résultats de la recherche à l'ESRF portent dans les domaines des matériaux, de la nanoscience, des sciences de la terre, des sciences de la vie, de la physique fondamentale et de la chimie.

Médiatisation de résultats

Le synchrotron européen peut être représenté lors de grands congrès ou conférences scientifiques à travers le monde comme le TechConnect World 2016 se déroulant en mai 2016 à Washington, mais l'ensemble de ses résultats sont présentés par des communiqués de presse selon les disciplines concernées.

Vestiges antiques

En 2013, un programme ambitieux de déchiffrement de rouleaux de papyrus antiques provenant d'Herculanum mais carbonisés lors de l'éruption du Vésuve en 79 et découverts en 1752 a débuté grâce à la lumière des rayons X du synchrotron. Réduits à l'état de cylindres carbonisés, la plupart de ces 1 840 fragments de rouleaux étaient restés illisibles jusqu'à nos jours, faute d'une technique capable de les déchiffrer sans risquer de les détruire. Deux mots et les lettres de l'alphabet grec ont pu être distinguées, mais reste à reconstituer les textes. Le 21 mars 2016, des résultats de l'équipe internationale chargée du déchiffrement de ces papyrus révèlent la présence d'une quantité non négligeable de plomb dans l'encre de deux fragments de papyrus. Cette présence inattendue de plomb et avec une concentration élevée, doit faciliter la lecture de ces papyrus.

Fin 2013, une petite boite de 4 centimètres trouvée dans les années 1980 dans la crypte du musée archéologique Grenoble Saint-Laurent, a pu être analysée finement grâce aux rayons X du synchrotron. Trop endommagée pour être ouverte sans dégâts, cette boite du XVII^e siècle conservée depuis une trentaine d'années a révélé trois médailles portant des iconographies religieuses ainsi que deux perles. Ces examens fournissant des indices sur l'évolution des religions et des rites religieux au XVII^e siècle.

Paléontologie animale et végétale

Expérience sur un animal fossilisé

Le synchrotron possède également un service de paléontologie qui peut faire des découvertes capitales grâce à ses installations car des fossiles souvent uniques peuvent être auscultés sans le moindre dommage. Après l'étude du primate Toumaï daté d'environ 7 millions d'années en 2003, ses installations ont reçu en février 2010 les restes d'un individu de la nouvelle espèce Australopithecus sediba découverte en 2008 en Afrique du Sud. Scannés 24 heures sur 24 pendant treize jours, les os vieux d'environ 1,8 million d'années ont permis une reconstitution tridimensionnel du crâne et la détermination de l'âge du spécimen à sa mort.

En ce qui concerne le règne animal, 356 inclusions animales ont été collectées en 2008 dans 640 morceaux d'ambre complétement opaque, révélant la présence d'insectes et d'autres petits animaux (acariens, araignées, crustacés) d'une taille allant de 0,8 mm à 4 mm. Des animaux de plus grande taille ayant probablement eu la force de pouvoir s'échapper du piège. Les chercheurs peuvent les représenter en 3D avec une grande précision, et même les extraire virtuellement de la résine datant d'environ 100 millions d'années. Le synchrotron européen permet de radiographier la matière avec une extrême précision comme la nageoire fossile d'un poisson vieux de 380 millions d'années, l'Eusthenopteron. Grâce au synchrotron, des chercheurs du Centre national de la recherche scientifique ont pu comprendre en étudiant un poisson vieux de 415 millions d’années comment la face s’était assemblée lors de la transition entre vertébrés sans et avec mâchoires. Dans ce même service, les plus vieux spermatozoïdes fossilisés au monde ont été identifiés en 2014. Vieux de 17 millions d'années, ils ont été trouvés dans l'organe reproducteur d'une minuscule crevette vivant dans une zone devenue le nord de l'Australie de nos jours. Ces spermatozoïdes mesurent 1,3 millimètre, soit une taille légèrement supérieure à celle du crustacé lui-même.

En juillet 2015, une équipe scientifique internationale a découvert la nature de petits œufs fossiles vieux de 125 millions d'années grâce à la puissante lumière des rayons X du synchrotron. Découverts en 2003 sur le site de Sao Khua dans la province de Khon Kaen en Thaïlande, ces œufs dont l'analyse de l'époque laissait penser à de petits dinosaures du fait de leur coquille dure se sont révélés être des œufs de lézard anguimorphe.

Spécimen de cœlacanthe.

En septembre 2015, une équipe scientifique franco-brésilienne publie dans la revue britannique Nature Communications, une découverte sur le cœlacanthe. L'examen au synchrotron d'un échantillon de ce poisson à l'aspect préhistorique et en voie de disparition a permis de mettre en évidence la présence d'un poumon caché, non fonctionnel, jouant un rôle de ballast rempli de graisse lui permettant d'évoluer jusqu'à 800 mètres de profondeur. D'autre part, l'examen d'individus au stade embryonnaire a mis en évidence le développement d'un poumon comme de nombreux mammifères marins, mais qui voit son développement s'arrêter au profit de l'organe graisseux dans le cas de ce poisson. Les signataires de l'étude pensent que le cœlacanthe en vivant du Dévonien jusqu'au Crétacé à la surface de l'océan a pu trouver par la suite les ressources pour s'adapter aux crises environnementales du Crétacé et du Paléogène et vivre ainsi en grande profondeur jusqu'à nos jours.

En mai 2016, une équipe de chercheurs du synchrotron annoncent dans la revue scientifique eLife, avoir étudier pour la première fois le cœur fossilisé d'un poisson vieux de 119 millions d'années. L'étude d'un fossile de cœur de RhacolepisRhacolepis, poisson vivant dans une région devenue le Brésil, montre qu'il possédait cinq valves. En juillet 2016, une équipe de chercheurs d'Afrique du Sud scanne un squelette fossilisé complet d'un petit dinosaure découvert en 2005 en Afrique du Sud et vieux de 200 millions d'années. La dentition de l'heterodontosauridae scanné a révélé des os du palais de moins d'un millimètre d'épaisseur.

Biologie et santé humaine

En 2010, un groupe de chercheurs du département de chimie de l'Université de Göteborg, en collaboration avec des équipes de l'École polytechnique Chalmers et d’autres universités européennes, ont observé grâce aux puissants rayons X, les mouvements des atomes au sein de protéines engagées dans un processus de photosynthèse. L'expérience qui a fourni des informations en trois dimensions sur des mouvements de l’ordre de 1,3 angström de molécules, pourrait servir à créer des dispositifs faisant de la photosynthèse artificielle afin de produire l’énergie du futur à partir de la lumière du Soleil.

Un geai des chênes.

En 2015, une équipe de scientifiques de l'Université de Sheffield découvre au cours ses recherches menées au synchrotron le secret de la couleur inaltérable de la matière vivante qui ne ternit pas avec le temps. En étudiant les couleurs d'un oiseau comme le geai des chênes, ils comprennent que les couleurs vives des plumes sont dues au niveau d'un poil à la structure spongieuse composée d'orifices et dont la taille et la simple distance entre ces orifices décident de la couleur. Ces deux paramètres déterminent la façon dont l'onde de lumière est renvoyée influençant directement la couleur réfléchie. Au cours des recherches, les scientifiques découvrent que l'animal est même capable de modifier la taille des orifices de cette structure spongieuse, déterminant ainsi la couleur qu'il renvoie. Cette découverte de la disposition de la nanostructure des plumes d'oiseau ouvre de nouvelles perspectives dans la création de couleurs synthétiques pour les peintures et les vêtements, qui ne terniraient plus.

Avec l'utilisation d'une ligne de rayons X dédiée à la radiothérapie, un traitement des métastases cérébrales rentre en phase clinique en 2016. Cette technique permettra d'irradier certaines zones du cerveau humain afin de détruire certaines cellules avec une précision de l'ordre d'un centième de millimètre, grâce au croisement de microfaisceaux déposant une dose de radiation suffisante au point de convergence. L'absence de lésions à proximité immédiate de la trajectoire des microfaisceaux est un avantage considérable par rapport aux techniques actuelles, mais une mise en application demandera encore plusieurs années. L'utilisation de la technique des microfaisceaux montre une grande tolérance des tissus biologiques et intéresse également le Grenoble-Institut des neurosciences afin de bloquer les crises d'épilepsie de patients pharmaco-résistants.

En septembre 2016, une équipe de chercheurs internationaux découvrent avec la lumière du synchrotron que la contamination humaine par du mercure ne provient pas uniquement comme on le pensait jusqu'à présent de la consommation de poisson. L'étude démontre que la présence de mercure de structure moléculaire très spécifique dans un cheveu humain peut provenir du retrait d'un amalgame dentaire. L'expérience donnant même la possibilité de dater avec une grande précision la date de contamination.

Sciences de la Terre et de l'Univers

L'ESRF est également capable de simuler l'éruption d'un supervolcan afin de comprendre le mécanisme d'une telle éruption et en prévoir le déclenchement ainsi que les effets dévastateurs qu'il représenterait pour l'homme. La dernière éruption d'un super volcan remontant à 26 000 ans, en Nouvelle-Zélande. L'ESRF a pu ainsi reproduire les conditions extrêmes de pression (36 000 atmosphères) et de température (1 700 °C) qui règnent au cœur de la chambre magmatique des volcans, grâce à un bombardement de rayons X. En 2015, le laboratoire ID 27 du synchrotron aidé d'une équipe de l'Université d'Amsterdam ont prouvé que le mécanisme à l'origine de superéruptions, comme celle du parc national de Yellowstone, pouvait se produire de manière spontanée sans chute de météorites. Une telle éruption abaisserait la température terrestre de 10 °C pendant dix ans.

Dans le domaine des sciences de la terre, l'ESRF apporte de précieuses informations dans l'étude d'échantillons de fer très fortement comprimés jusqu'à 3,5 millions d'atmosphères et une température de 6 000 °C . Des physiciens ont conclu que le noyau de la Lune est semblable à celui de la Terre et mesure 250 km de rayon avec une enveloppe liquide plutôt fine de 80 km d'épaisseur. Une autre étude menée par des scientifiques du CEA, de l'ESRF et du CNRS ont réévalué la température du noyau de la terre entre 3 800 °C et 5 500 °C suivant la profondeur.

Art

La Joconde (1506)

Dans le domaine de l'art, l'ESRF a permis en 2010 de mieux comprendre le sfumato, une technique utilisée par de grands peintres comme Léonard de Vinci. Avec le soutien du Musée du Louvre et après examen de sept de ses tableaux par spectrométrie de fluorescence des rayons X, réalisée directement devant les œuvres au musée du Louvre, les scientifiques ont compris que ce dernier avait utilisé ses doigts pour passer des dizaines de couches de vernis pour peindre La Joconde, La Vierge aux rochers ou encore La Madone à l'œillet. L'artiste se démarquait ainsi par la précision de l'application de ses couches de vernis, pour certaines cinquante fois plus fines qu'un cheveu humain.

En 2015, la revue Applied Physics Letters informe le monde l'art que le sulfure de cadmium connu aussi comme étant le pigment jaune de cadmium est sujet à un processus d'oxydation lors d'une exposition à la lumière, se transformant alors en sulfate de cadmium très soluble dans l'eau et incolore. Grâce à des expériences menées au synchrotron européen, les chercheurs mettent en évidence les processus chimiques qui se produisent dans la peinture décolorée et cette étude permet de définir de nouvelles mesures de conservation pour certains tableaux de maîtres. Ainsi, le peintre Henri Matisse a utilisé une qualité de pigment de jaune de cadmium qui se dégrade dans le temps et une décoloration de l'ivoire d'un tableau de Vincent van Gogh a déjà été observé.

L'ESRF apporte également une aide au monde de la sculpture puisqu'en 2015 des études menées à l'ESRF ont permis d’analyser la composition de la pâte à modeler utilisée par Auguste Rodin. Des échantillons millimétriques de deux de ses œuvres dégradées par le temps, datant de 1912 pour Hanako et 1913 pour Clemenceau, ont été étudiés aux rayons X ultra brillants permettant de comprendre que Rodin utilisait deux types de matériaux modernes de modelage, proches de la pâte à modeler. Des protocoles de nettoyage et conservation ont ainsi été mis au point comme l'utilisation d'un nettoyage au laser en cas de salissure légère ou moyenne, ou d'utilisation de Carboxyméthylcellulose sur papier absorbant dans les autres cas.

États membres

En 2015, les pays membres du synchrotron sont au nombre de treize, auxquels s'ajoutent huit membres aux contributions plus modestes. Le dernier pays a y être entré a été la Russie en décembre 2013.

Les États membres sont :

• France
• Allemagne
• Italie
• Royaume-Uni
• Russie
• Espagne
• Suisse
• Belgique
• Pays-Bas
• Danemark
• Finlande
• Norvège
• Suède

Ils sont rejoints par des associés scientifiques:

• Israël
• Autriche
• Pologne
• Portugal
• République tchèque
• Hongrie
• Slovaquie
• Afrique du Sud

Visites guidées

Bâtiment d'accueil

Chaque année, les installations du synchrotron reçoivent plusieurs milliers de visiteurs venant du monde entier. Une visite comprend une présentation générale dans le centre pour visiteurs puis un circuit dans le hall expérimental qui permet de découvrir les lignes de lumière où travaillent les scientifiques. En collaboration avec le CCSTI de Grenoble, des visites sont prévues pour des groupes de moins de 15 personnes. La durée de visite pour les groupes importants ou plus réduits sont de 2 heures 30. Chaque visite doit être réservée deux mois à l'avance et chaque visiteur doit avoir plus de 15 ans.

Depuis l'année scolaire 2013-2014, le synchrotron organise des journées d'immersion pour des lycéens européens permettant des rencontres avec des scientifiques ainsi que des mises en situation d'expériences scientifiques et la conduite d'un projet de recherche. Ce programme pédagogique intitulé Synchrotron@School est accompagné par l'Académie de Grenoble. Lors des deux premières éditions, 700 élèves ont participé à cette journée de découverte et 850 sont inscrits pour l'édition 2016, ouverte pour la première fois à la filière technologique.

Accès

Depuis 2014, l'accès en voiture se fait par une nouvelle entrée donnant sur la rue des Martyrs, à proximité de l'institut de biologie structurale. En transports en commun, le synchrotron est desservi par le terminus de la ligne B du tramway, ainsi que par les lignes de bus C6, 22 et 54.

Voir aussi

Articles connexes

• TANGO

Liens externes

• (en) Site officiel de l'ESRF (la présentation de l'ESRF est disponible en français)
• (en) APS
• (en) SPring-8
• Décret n° 2004-987 du 13 septembre 2004 portant publication de la convention ESRF
• Notices d'autorité :

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