Utilisateur:Sergio Torregrosa/Brouillon4 : synchrotron
Le Synchrotron[modifier | modifier le code]
Le rayonnement synchrotron (RS) est le rayonnement émis par des particules de haute énergie se propageant dans le vide. Dès que le mouvement des particules n'est pas rectiligne et uniforme du rayonnement est émis. Lorsque la particule possède une vitesse proche de la lumière la fréquence du rayonnement est déplacée vers les courtes longueur d'ondes par "effet Doppler relativiste". Ceci permet d'atteindre des longueurs d'onde courtes, telles celles des rayons X.
Histoire[modifier | modifier le code]
Un accélérateur de particules génère un rayonnement électromagnétique. Mais celui-ci était considéré comme « parasite » car il correspondai à une déperdition d'énergie pour des particules que l'on cherche au contraire à accélérer !
Ce n’est en faite qu'au début des années 40 que des études sont apparues sur ces rayonnements à la fois en Russie et aux USA . Un nouveau type d'accélérateur nommé synchrotron a ainsi vu le jour à la General Electric (USA) conduisant à la première observation du RS dans le domaine du visible.
Le début des années 50 a vu la première ligne de RS dans le domaine ultra violet sous vide s'installer à Cornell (USA). Il a fallu attendre ensuite les années 60 pour que de nouvelles études voient le jour au près de synchrotrons construits en premier lieu pour la physique de hautes énergies. Dans les années soixante, la nouveauté a été de démontrer que le rayonnement synchrotron, qualifié de « parasite » par les physiciens des particules, pouvait être utilisable et que ses immenses capacités allaient révolutionner la spectroscopie des rayons X et UV.
C'est seulement dans les années 70 qu'une utilisation plus intense du RS s'est précisée notamment en Europe . Depuis le RS, qui n‘était produit de façon parasite que sur des machines destinées à la physique des hautes énergies, s'est considérablement développé avec dans le milieu des années 80 l’apparition de machines lui étant spécialement dédiées.
Ainsi on a eu au cours des années un notable amélioration de l’ exploitation du phénomène: de 1GeV en 1950 à 1 TeV en 1980. Actuellement la troisième génération de synchrotrons comme SOLEIL permet 2,75 GeV ou ESRF : 6 GeV.[1]
Principe[modifier | modifier le code]
D'après la physique classique, une particule chargée électriquement, comme un électron, qui est accélérée par des moyens extérieurs va perdre une partie de son énergie en émettant de la lumière ( équations de maxwell,pulsation de Larmor). Pour une particule classique, c’est-à-dire se propageant à une vitesse très inférieur par rapport à celle de la lumière, le rayonnement est approximativement isotrope. Cependant pour des particules relativistes, le rayonnement est émis dans un cône d’ouverture très petite tangent à l’orbite de la particule. En effet, la transformation de Lorentz montre que cette ouverture est égale à 1/ɣ avec ɣ=E / m0c2 . On remarque ainsi que l’effet sera de plus important que l’énergie est grande et la masse petite, d’où l’intérêt par la suite de travailler avec des énergies de plus en plus enlevées et avec des électrons au lieu que des protons.[2]
De plus, nous devons aussi considérer l’effet doppler relativiste. En effet, en analogie avec le son, dans le cas d’une source de lumière en mouvement (ici l’électron) par rapport à un observateur statique (ici le laboratoire) la fréquence de la lumière perçue sera différente que celle de la lumière émise. C est le cas par exemple des étoiles: la lumière perçue d’une étoile qui s’ éloigne basculera vers le rouge alors que la lumière perçue d’une étoile qui se rapproche basculera vers le bleu[3]. Dans notre cas la relativité restreinte nous donne :
λ = λο (1 - v/c) = λο (1 - β) qui peut aussi s’écrire λ ≅ λο / 2γ2. On peut ainsi produire du rayonnement de longueurs d’onde très courtes, dans les rayons X, par exemple. On voit que pour les énergies usuelles des accélérateurs, le terme γ2 déplace la fréquence de plusieurs ordres de grandeur. Par exemple, pour E = 6 GeV (énergie de l'ESRF, centre européen de rayonnement synchrotron à Grenoble), γ ≅ 1.2 104 et, pour λο = 3 cm, λ = 1 A° (c’est-à-dire dans les rayons X ).[2]
Intérêts[modifier | modifier le code]
Les intérêts du rayonnement synchrotron sont multiples, notamment par ses nombreuses propriétés:
- Faisceau extrêmement collimaté (γ > 5000 sur les machines récentes).
- Source de brillance exceptionnelle, comparable à celles des lasers (lesquels n’existent d’ailleurs pas dans le domaine des rayons X).
- Tout le spectre d'émission peut être balayé (infrarouge aux rayons X) .
- Cohérence spatiale et temporelle (anisotropie).
- Pour d'autres sources,la taille de la source est proportionnelle à la longueur d'onde du rayonnement que l'on veut émettre. Aux très courtes longueur d'ondes on ne sait plus réaliser des émetteurs si petits. Pour le rayonnement synchrotron on évite la condition de taille de l‘ émetteur en faisant mouvoir celui-ci, à une vitesse très proche de la lumière.[2][4]
Comment le produire[modifier | modifier le code]
Pour produire ce rayonnement synchrotron, des électrons doivent être fortement accélérés, pour ceci le système suivant est utilisé:
1. Un faisceau d’électrons fin comme un cheveu, émis par un canon à électrons, est d’abord accéléré dans un accélérateur linéaire de 16 m de long : le LINAC. Les électrons atteignent un premier niveau d’énergie : 100 MeV.
2. Après cette première accélération, le faisceau d’électrons est dirigé vers un deuxième accélérateur circulaire appelé Booster qui porte leur énergie à la valeur de fonctionnement soit 2,75 GeV.
3. À ce niveau d’énergie, les électrons sont injectés dans l’anneau de stockage de 354 mètres de circonférence (soit 113 mètres de diamètre) et tournent pendant plusieurs heures (le vide est très poussé dans l'anneau pour éviter les interactions avec le milieu).
4. Dans l’anneau de stockage, des dispositifs magnétiques : les dipôles ( ou aimants de courbure) , les onduleurs ou wiggler (succession d’aimants alternés) dévient la trajectoire des électrons ou les font osciller. Ces derniers perdent de l’énergie sous forme de lumière : « le rayonnement synchrotron ».
5. L’énergie perdue à chaque tour par les électrons en émettant le rayonnement synchrotron est compensée par des cavités radiofréquence (en appliquant un champ longitudinal périodique de plusieurs dizaines de kV).
6. Le rayonnement synchrotron, produit dans les aimants de courbures et les éléments d’insertion (wiggler ou onduleurs), est dirigé, sélectionné et conditionné par des systèmes optiques vers les stations expérimentales au niveau des lignes de lumière.
7. Chaque ligne de lumière constitue un véritable laboratoire de biologie, chimie, sciences de la Terre, ...[5]
Applications[modifier | modifier le code]
L'utilisation du rayonnement synchrotron concerne un très large ensemble d'activités de recherche, que ce soit en recherche fondamentale pour les sciences de la matière et celles du vivant, ou en recherche appliquée.
En recherche fondamentale, il couvrira des besoins en physique, chimie et en sciences des matériaux, en sciences du vivant (notamment en cristallographie des macromolécules biologiques), en sciences de la terre et de l'atmosphère. Il offrira l'utilisation d'une large gamme de méthodes spectroscopiques depuis l'infrarouge jusqu'aux rayons X, et de méthodes structurales en diffraction et diffusion X.
En recherche appliquée, il sera utilisé dans des domaines très différents tel que la pharmacie, le médical, la chimie et la pétrochimie, l'environnement, le nucléaire, l'industrie automobile, mais aussi les nanotechnologies, la micro mécanique et la microélectronique, etc...[5]
Références[modifier | modifier le code]
- M. Bessi`ere, « Introduction au rayonnement synchrotron et `a ses avantages », Journal de Physique IV Colloque, , p. 512 (lire en ligne)
- « Introduction au rayonnement synchrotron »
- « L’effet Doppler lumineux »
- « Le rayonnement synchrotron »
- « Synchrotron-Soleil, accélérateur de particules du futur », sur http://www.futura-sciences.com