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SYNCHROTRON RAYONNEMENT

Toute particule chargée soumise à une accélération émet des ondes électromagnétiques. L'émission de ce rayonnement ainsi émis s'appelle rayonnement de freinage magnétique ou, plus communément, encore, rayonnement synchrotron. Il a été observé pour la première fois en avril 1947 par Herb Pollock et Robert Langmuir sur le synchotron de 70 millions d'électronvolts qu'ils avaient construit au laboratoire de recherche de la General Electric à Shenectady (New York).

Cet effet est à la base des communications « sans fil », puisque les ondes sont émises par des électrons qui oscillent le long des antennes. Les propriétés de cette émission se calculent exactement avec les équations de l'électrodynamique classique pour une charge se déplaçant à très grande vitesse. Elles montrent que les propriétés géométriques et spatiales de la lumière émise ( photons) ne dépendent que de l'énergie de la particule, de sa masse et du champ d'accélération dans lequel elle se déplace. Seules des particules légères, c'est-à-dire des électrons ou leurs antiparticules (positons), peuvent subir des accélérations suffisantes.

Grâce à ses caractéristiques très spécifiques, le rayonnement synchrotron, initialement considéré comme parasite, est devenu un outil irremplaçable pour sonder la matière. En effet, sa grande étendue spectrale (de l'infrarouge aux rayons X durs), sa cohérence partielle, couplée à une brillance exceptionnelle, en font un instrument indispensable dans de nombreux domaines – physique, chimie, biologie, mais aussi environnement, géosciences, patrimoine, science des matériaux, etc. –, que ce soit pour des recherches à caractère fondamental ou bien appliqué. L'engouement rencontré pour ce type de source se traduit par la prolifération de ces installations au niveau mondial (environ une centaine sont aujourd'hui opérationnelles ou en cours de construction).

Les origines

Le principe du rayonnement qu'émet un électron en mouvement apparaît pour la première fois dans un ouvrage de J. Larmor en 1897 en ce qui concerne les électrons non relativistes, puis dans les ouvrages de A. Lienard et E. Wiechert en 1898 pour les électrons de vitesse arbitraire. La mise en évidence expérimentale eut lieu, d'abord indirectement en 1946 (J.-P. Blewett) par l'observation de la variation de l'orbite de l'électron, puis directement en 1947 par l'observation du rayonnement lui-même (Pollock et Langmuir) sur un synchrotron. C'est ainsi que le rayonnement électromagnétique de l'électron prit le nom de rayonnement synchrotron. L'utilisation du rayonnement synchrotron comme outil d'études commença vers 1970 après la construction des anneaux de stockage pour la physique des hautes énergies.

Brillance du rayonnement synchrotron

Brillance du rayonnement synchrotron

Assez rapidement, l'utilisation de ce rayonnement parasite pour d'autres branches de recherche s'est imposée, à partir des années 1970. Une étape a été franchie avec la construction de machines optimisées pour ce type de recherches, machines dites de deuxième génération. Enfin une troisième génération de machines dotées de faisceaux extrêmement concentrés et de dispositifs magnétiques supplémentaires optimisés (les insertions magnétiques) a permis de multiplier par 1012 la brillance des sources des tubes à rayon X (fig. 1). La brillance permet de qualifier à la fois le flux de photons (nombre de photons par seconde) disponible sur l'échantillon et la possibilité de focaliser ce flux et de l'exploiter à très haute résolution spectrale. Ainsi est né le projet SOLEIL (source optimisée de lumière d'énergie intermédiaire du Lure), visant à doter la communauté française (et pour une large part européenne) d'une source de rayonnement synchrotron du meilleur niveau (voir encadré, Le synchrotron SOLEIL). Résultat d'une[...]

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Écrit par

  • : directeur scientifique chez Pechiney, Paris
  • : directrice adjointe, division sources, synchrotron SOLEIL
  • : directeur scientifique adjoint, division expériences, synchrotron SOLEIL
  • : directeur de l'European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble

. In Encyclopædia Universalis []. Disponible sur : (consulté le )

Médias

Brillance du rayonnement synchrotron

Brillance du rayonnement synchrotron

Émission synchrotron d'un électron accéléré

Émission synchrotron d'un électron accéléré

Autres références

  • CRISTAUX

    • Écrit par Marc AUDIER, Michel DUNEAU
    • 7 291 mots
    • 2 médias
    ...excités émettent un rayonnement X. L'intensité de ce type de source a ensuite été accrue grâce à un dispositif d'anode tournante refroidie. Aujourd'hui, le rayonnement synchrotron, qui résulte du « freinage » d'électrons de très haute énergie circulant dans un anneau de plusieurs dizaines de mètres de diamètre,...
  • ÉMISSION RADIO DE LA GALAXIE

    • Écrit par James LEQUEUX
    • 272 mots

    Grâce aux antennes très sensibles qu'il a construites, l'Américain Karl Guthe Jansky, ingénieur aux Bell Telephone Laboratories, étudie dès la fin des années 1920 l'effet de l'atmosphère sur la transmission des ondes radio. Il constate en 1931 qu'un bruit radio (c'est-à-dire une émission...

  • ESRF (European Synchrotron Radiation Facility)

    • Écrit par Jean-Louis LACLARE
    • 2 525 mots

    L'E.S.R.F. (European Synchrotron Radiation Facility), ou Installation européenne de rayonnement synchrotron, est située à l'entrée de Grenoble, au confluent du Drac et de l'Isère.

    L'idée de la mise en place de ce synchrotron remonte à l'année 1975 : le professeur H. Maier-Leibnitz,...

  • EUROPEAN XFEL (laser européen à électrons libres et à rayons X)

    • Écrit par Gabriel GACHELIN
    • 1 422 mots
    • 4 médias
    ...viscosité (comme les protéines du cristallin de l’œil), on a eu recours à partir des années 1980 à des rayons X beaucoup plus énergétiques produits par des synchrotrons (rayonnement synchrotron). L’une de ces machines (Doris III) est installée depuis 1974 sur le site de la Deutsches Elektronen Synchrotron...
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Voir aussi