E.S.R.F. (European Synchrotron Radiation Facility)

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Histoire des sources de rayons X

C'est William David Coolidge qui a découvert le premier tube à rayons X. On a depuis lors beaucoup développé ce type de sources qui constituent, de nos jours encore, des outils puissants de laboratoire pour la recherche fondamentale, l'industrie et la médecine.

À l'époque, on avait déjà compris les mécanismes du rayonnement synchrotron comme l'une des conséquences des équations de Maxwell. En fait, depuis la création du monde, il existe dans l'espace des sources fonctionnant sur ce principe.

La première mise en évidence expérimentale d'une source du type synchrotron construite par l'homme remonte à 1947 (cf. synchrotron rayonnement). C'est en effet à cette date que l'on a extrait pour la première fois un rayonnement synchrotron par l'intermédiaire d'un miroir placé dans la chambre à vide de l'accélérateur d'électrons de 70 mégaélectronvolts du type synchrotron de la compagnie General Electric aux États-Unis.

Le principe du rayonnement synchrotron peut s'expliquer ainsi. Lorsque la trajectoire d'une particule chargée ultrarelativiste, c'est-à-dire se déplaçant à une vitesse très légèrement inférieure à la vitesse de la lumière, est courbée à la traversée d'un champ magnétique, la particule en question est freinée par le champ électromagnétique qu'elle crée elle-même en tant que charge en mouvement. Elle restitue à l'environnement cette énergie perdue sous forme de photons émis tangentiellement à sa trajectoire.

Les conditions pour produire en laboratoire un rayonnement synchrotron puissant, et en particulier l'obtention d'une vitesse des particules infiniment proche de la vitesse de la lumière, sont plus faciles à réunir avec des électrons, particules légères qui sont bien moins difficiles à accélérer que des protons.

À l'origine, le rayonnement synchrotron est juste un sous-produit des accélérateurs à haute énergie pour la physique des particules élémentaires. À la fin des années 1960 et au début des années 1970, les sources de la première génération sont ces accélérateurs construits pour la physique des particules, puis délaissés par leurs premiers utilisateurs et reconvertis en sources de lumière synchrotron qu'utilisent de plus en plus de chercheurs pendant environ une décennie.

Vers 1975 apparaissent les premiers accélérateurs du type synchrotron construits pour les besoins spécifiques des utilisateurs du rayonnement. Les performances s'améliorent notablement avec ces machines de la deuxième génération, bien que l'on continue à utiliser exclusivement dans un premier temps le rayonnement émis à partir des aimants de courbure de l'accélérateur circulaire.

Dans les aimants de ces machines, l'énergie des photons émis est une fonction linéaire du champ magnétique de courbure de la trajectoire et quadratique de l'énergie des électrons. Elle peut aller de l'infrarouge (10 MeV) aux rayons X durs (100 keV) en passant par le visible (1 eV) et l'ultraviolet (10 eV). Autour de l'énergie moyenne, le spectre des photons émis dépend de la forme du champ magnétique appliqué. Si le champ magnétique est uniforme, la trajectoire de la particule est un arc de cercle. Le temps t pendant lequel elle émet des photons dans une direction donnée, ou, en d'autres termes, le temps pendant lequel un observateur la voit passer, est relativement court. Le principe d'incertitude impose alors que la largeur en fréquence Δ  du spectre soit nécessairement importante puisque Δ .Δt ≃ 1. Le spectre est donc blanc dans ce cas.

Vers 1980, les premiers éléments d'insertion du type onduleur ou wiggler sont testés. Comparés aux aimants de courbure, ils constituent une amélioration majeure des propriétés du rayonnement. Dans l'une des sections droites du synchrotron, on introduit une structure magnétique en général constituée par une série d'aimants permanents à champ alternativement positif et négatif, l'intégrale totale du champ restant nulle pour ne pas perturber l'orbite des particules : ce qui se traduit par le fait qu'à l'intérieur de l'aimant d'insertion la trajectoire de la particule est une sinusoïde de très faible amplitude. Un observateur dans l'axe de l'aimant d'insertion voit la particule pendant un temps Δt beaucoup plus long, puisque son trajet est aussi plus long. Il s'ensuit que l'étendue en fréquence du spectre est considérablement réd [...]

Rayonnement dans un aimant wiggler

Dessin : Rayonnement dans un aimant wiggler

Dans un aimant wiggler multipôle, on cumule le rayonnement émis par l'électron sur toutes les périodes de sa trajectoire sinusoïdale. 

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Synchrotron, Grenoble

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Jean-Louis LACLARE, « E.S.R.F. (European Synchrotron Radiation Facility) », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 11 janvier 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/european-synchrotron-radiation-facility/