Science.gouv.fr

Qu’est ce qu’un synchrotron ?

Produire une lumière extrêmement brillante afin de percer les secrets les plus intimes de la matière : telle est la mission d’un centre de rayonnement synchrotron.
Au service des scientifiques comme des industriels, cette installation de très haute technologie offre les moyens d’investigation désormais indispensables aux chercheurs. De quoi se compose-t-elle ? Comment émet-elle son rayonnement ?

Une machine pour explorer la matière

Les expériences menées dans un centre de rayonnement synchrotron utilisent la lumière
émise par des électrons relativistes, c’est-à dire circulant dans un anneau à une vitesse proche
de celle de la lumière (300 000 km/s). Ces électrons de très haute énergie sont d’abord
émis dans un pré-injecteur linéaire, le LINAC, qui leur fait subir une première accélération
avant de les diriger dans un deuxième injecteur circulaire, le BOOSTER, qui monte leur énergie à la valeur de fonctionnement choisie pour le synchrotron, 2,75 milliards
d’électron-Volts. Les électrons sont ensuite injectés dans l’anneau de stockage où ils vont tourner pendant des heures. Cet anneau, de 354 mètres de périmètre, est équipé de dispositifs magnétiques - aimants de courbure, onduleurs et wigglers (caractéristiques des synchrotrons de troisième génération) - qui forcent les électrons à suivre des trajectoires courbes ou ondulées.

A chaque passage dans ces dispositifs magnétiques où leur trajectoire est déviée, les électrons perdent de l’énergie sous forme d’une lumière particulière appelée « rayonnement synchrotron ». Capté en différents endroits de l’anneau de stockage, ce rayonnement est canalisé vers des sorties, les lignes de lumière. Chaque ligne est un véritable laboratoire instrumenté pour analyser des échantillons complexes et de toute sorte et optimisé pour des techniques spécifiques d’analyse.

Les applications du Synchrotron

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, SOLEIL 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, SOLEIL 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 micromécanique et la microélectronique, etc.….

SOLEIL sera aussi ouvert aux projets de l’industrie et des grands enjeux nationaux (environnement, énergie...). Il favorisera aussi l’accès des PME/PMI aux techniques de rayonnement synchrotron.

Concevoir les matériaux de demain

Pour concevoir des matériaux susceptibles de stocker de grandes quantités d’informations et ainsi, réaliser les composants magnétiques de demain, il est nécessaire de préciser la composition et le comportement de ces nouveaux matériaux à une échelle submicronique. En combinant les propriétés de focalisation spatiale et d’accordabilité en énergie du rayonnement synchrotron, on peut produire de manière très sélective une image de la surface d’échantillons très variés. De plus, si l’on utilise son état de polarisation, on a accès également à l’état magnétique local de l’échantillon : c’est la spectromicroscopie magnétique, technique nouvelle qui verra son plein essor à SOLEIL.

En étudiant la différence de réponse d’un système (ici un matériau) à une excitation en lumière polarisée circulairement (gauche puis droite), on peut par exemple établir la cartographie de l’orientation de l’aimantation de micro-domaines magnétiques. Ils résultent de la superposition de couches d’atomes (on dit "composé sandwich") aux propriétés magnétiques différentes.

(BESSY, Ligne de microspectrométrie)

A : coupe d’un composé sandwich (fer/chrome/fer)
B : deux domaines magnétiques sont présents sur le substrat de fer, avec les directions d’aimantation représentées par les deux flèches.
C et D : visualisation du fer de la couche superficielle, selon deux directions perpendiculaires.
E : sens d’aimantation dans les domaines magnétiques.

La partie entourée signale la combinaison magnétique qui permet de faire le lien entre deux directions opposées et de progresser vers la miniaturisation.

Une application en médecine : Préciser les diagnostics pour adapter les traitements

Dans les synchrotrons de 3ème génération, la cohérence des faisceaux permet de visualiser la matière en 3D, même si elle n’absorbe que très peu la lumière. Cette technique d’imagerie (dite "par contraste de phase") est particulièrement adaptée pour visualiser des détails de la matière vivante, car à l’inverse des radiographies X habituelles, elle permet d’obtenir une image contrastée même si la matière absorbe peu le rayonnement.

Chaque faisceau est une onde lumineuse qui ondule selon un certain rythme (sa phase). Lorsqu’un tel faisceau intercepte un échantillon, sa phase va être modifiée localement en fonction de la quantité de matière (l’indice) rencontrée. En plaçant un détecteur suffisamment loin de la cible, on peut mesurer des figures d’interférences induites par les différences de phase, qui permettent de reconstituer en trois dimensions la structure du milieu traversé.



L’exemple ci-dessus montre l’évolution dégénérative de l’os iliaque d’une patiente atteinte d’ostéoporose. Les détails des structures ainsi obtenus permettent de mieux comprendre la maladie et son évolution au cours du temps.Ce dossier a été réalisé avec l’aide de Stéphanie Gomez du Soleil Synchrotron.
Les textes et les images ont été fournis par le Soleil Synchrotron.

Crédits photos:
Soleil Synchrotron