L'inauguration de SOLEIL a eu lieu il y a quelques mois, pourriez-vous nous expliquer ce qu'est 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.

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 SOLEIL, soit 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.

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SOLEIL est un projet qui a eu des débuts mouvementés. De quand date la première ébauche du projet et est-il vrai que Claude Allègre l’avait en son temps annulé ?

Le projet SOLEIL a été initié il y a environ 15 ans au laboratoire LURE (Laboratoire d’Utilisation du Rayonnement Electromagnétique) situé sur la faculté d'Orsay. Créé en 1972 et arrêté (pour la production de rayonnement synchrotron) fin 2003, le LURE a offert d’excellentes performances à ses utilisateurs mais, bien qu’ayant été considérablement optimisé au cours de ses 30 années de fonctionnement, il n’offrait plus les possibilités des synchrotrons de 3ème génération. En mai 1999, le groupe d'études constitué sous l'égide du CEA et du CNRS a remis un Avant Projet Détaillé comprenant toutes les spécifications nécessaires pour démarrer la construction d'un nouveau synchrotron français.

Claude Allègre, qui était Ministre de la Recherche, s'est alors opposé au projet de synchrotron français, considérant qu'il était préférable que la France s'associe au projet du synchrotron britannique (Diamond). Cette décision a provoqué la mobilisation de la communauté scientifique française, mais également européenne. La raison principale à cette opposition était qu’un seul centre ne pourrait pas satisfaire les besoins des deux communautés, française et britannique, sauf à doubler la taille de l’installation (accélérateur et lignes de lumière) donc son coût de construction et d’exploitation, pour un gain nul. L’expérience montre que cette position était justifiée : lors de leur premier appel à candidatures pour l’utilisation de leurs faisceaux à l’automne 2006, Diamond et SOLEIL ont chacun reçu 2,5 fois plus de demandes d’utilisation qu’ils ne pourront en satisfaire en 2007.

Quelques mois après avoir remplacé M. Allègre à son poste de Ministre, M. Schwartzenberg a officiellement annoncé le 11 septembre 2000 que SOLEIL serait bel et bien construit et serait implanté en région parisienne sur le plateau de Saclay.

Nous disposons déjà d’un synchrotron comme source de rayonnement synchrotron à Grenoble. Pourquoi avoir besoin de SOLEIL ?

L'ESRF de Grenoble, comme son nom l'indique (European Synchrotron Radiation Facility) est un synchrotron européen. La France finançant un quart de son coût, elle ne dispose que d'environ 20 % de temps de faisceau annuel sur les lignes de lumière (c'est-à-dire les laboratoires où se font les expériences). Et toutes ses lignes de lumière sont déjà saturées de demandes : deux tiers des chercheurs souhaitant avoir du 'temps de faisceau' pour réaliser leurs expériences voient leur demande refusée.

Par ailleurs, de plus en plus de domaines de recherche font appel au rayonnement synchrotron. Citons notamment, en recherche fondamentale, la physique (incluant les nanotechnologies), la chimie, la science des matériaux, les sciences de la vie, mais aussi les sciences de la terre et de l’atmosphère, celles de l’environnement ou la médecine, et même récemment la paléontologie.

De plus, SOLEIL souhaite s’ouvrir aux industriels, PMI, PME et groupes, et aux acteurs de certains grands enjeux sociétaux intervenant à différents échelons géographiques : régional, national, européen et international. SOLEIL sera ainsi largement dédié aux activités de recherche appliquée et de développement, de contrôle qualité (des matières premières, des produits intermédiaires et finis) et de fabrication, dans des secteurs variés :

• pharmacie, biotechnologies, médical
• chimie, pétrochimie, cosmétiques, agroalimentaire
• métallurgie, mécanique, électronique
• matériaux plastiques, céramiques, verres…
• environnement, géophysique, sciences de la terre
• défense et sûreté nationales, police scientifique
• développement durable, sauvegarde du patrimoine culturel...

La construction de SOLEIL, le synchrotron de 3ème génération français, conjugue ainsi un enjeu quantitatif de temps de faisceau disponible pour la communauté nationale et une très forte ambition sur le plan de la recherche, avec des possibilités d'expériences nouvelles et des domaines d'application également très prometteurs.

Qu’apporte techniquement en plus SOLEIL comparé au synchrotron de Grenoble ?

Un synchrotron est une source de lumière exceptionnelle. Mais comme vous le savez, selon la couleur de la lumière que l'on utilise pour éclairer un objet - plus exactement sa longueur d'onde ou énergie - les informations obtenues ne sont pas les mêmes.

La gamme de longueurs d'onde couverte par le rayonnement synchrotron produit à l'ESRF n'est pas la même que celle de SOLEIL. A Grenoble, le spectre d'énergie est centré sur les Rayons X dits 'durs' (énergie allant jusqu’à 100 keV). A SOLEIL il est décalé vers les 'X mous', c'est-à-dire d'énergie inférieure (ou de plus grandes longueurs d'onde), pour aller jusqu'aux UV et aux infrarouges, permettant l’étude des comportements chimiques, électroniques et magnétiques de la matière. C'est pourquoi l'on dit souvent que SOLEIL est très orienté biologie, médecine et matériaux.

A cause du décalage de ces 2 spectres, l'ESRF et SOLEIL sont largement complémentaires, SOLEIL ayant une batterie de lignes de lumière dans le domaine de la spectroscopie X et VUV qui ne sont pas présentes à l’ESRF.

Les spectres d'énergie couverts par l'ESRF et SOLEIL se chevauchent cependant partiellement dans le domaine des X d’énergie modérée (jusque vers 25-30 keV), donc le même type d'expérience, principalement dans le domaine des études structurales à diverses échelles, peut être réalisé dans les deux synchrotrons. Mais ceci n'est pas gênant puisque, comme nous l'avons dit précédemment, le nombre de demandes est tel que les deux synchrotrons seront saturés !

Comment se situe SOLEIL en terme de puissance comparé aux projets européens et internationaux ?

Qu'appelez-vous puissance ? En fait, on ne raisonne pas en terme de puissance. Si l'on parle de l'énergie des électrons qui produisent le rayonnement synchrotron, pour SOLEIL cette énergie est de 2,75 milliards d'eV (GeV). La durée de vie des faisceaux d’électrons augmente avec leur énergie, d’où l’intérêt de choisir une valeur élevée d’énergie de stockage. Mais si cette énergie est très élevée, la contrepartie est un risque de dégradation des systèmes d’optique de certaines lignes de lumière, à cause de la puissance émise. La valeur finalement choisie pour SOLEIL tient compte de ces différents facteurs. Elle permet à SOLEIL de fournir du rayonnement synchrotron à la fois de très haute brillance, et couvrant une large gamme de longueurs d’ondes : depuis l’infrarouge lointain (longueur d’onde de 300 microns) jusqu’aux rayons X. Pour ce faire, on a également joué sur les caractéristiques des dispositifs d’insertion (onduleurs principalement) qui seront installés sur l’anneau : en choisissant des onduleurs de périodes différentes (1), on peut couvrir des gammes de longueurs d’ondes complémentaires.

Les 'grands synchrotrons' optimisés pour les rayons X durs sont à l'échelle d'un continent. Il y en a trois dans le monde : L'ESRF en Europe avec une énergie de 6 GeV, SPRING 8 au Japon 8 GeV ou l'ALS aux Eu avec 7 GeV. A l'échelle d'un pays, les synchrotrons sont plutôt d'énergie intermédiaire comme le SLS, en Suisse : 2,4 GeV, Le synchrotron allemand BessyII avec 1,7 GeV ou Diamond, le nouveau synchrotron britannique qui fonctionne à une énergie de 3 GeV… - et bien sûr SOLEIL. Et chaque synchrotron possède ses spécificités. Cela ne signifie pas que ces synchrotrons nationaux ne pourront pas fournir de rayons X durs : avec les sources de lumières actuelles (onduleurs), il devient possible d’atteindre sur certaines lignes de lumière des synchrotrons de taille moyenne des énergies comparables à celles des grands synchrotrons. Cela permettra de désengorger un peu ces grandes installations et d'ouvrir de nouvelles perspectives à nos communautés d'utilisateurs.

(1) Les onduleurs sont des dispositifs magnétiques placés dans les parties droites de l’anneau. Ils sont formés de 2 mâchoires faites d’aimants juxtaposés, les aimants placés côte à côte étant de polarité inverse (Nord/Sud/Nord/Sud, etc.). La période correspond à la distance entre deux aimants de même polarité sur une mâchoire donnée.

Une circonférence supérieure aurait-elle un impact significatif sur les performances de Soleil. Y a-t-il eu des discussions à ce sujet ? Plus généralement, comment se situe Soleil face à ses concurrents et quelle est l’importance de la taille pour la production de rayonnement synchrotron ?

Il y a bien sûr eu des discussions sur le sujet, le choix n'a pas été fait au hasard... Si l’énergie des électrons qui tournent dans l’anneau de stockage est un paramètre crucial pour les performances de l’installation (nous venons d’en parler), la circonférence de cet anneau en est un autre. 'Anneau' qui est en fait un polygone, formé d'une succession de sections droites et de sections courbes. Dans les sections courbes sont disposés les aimants de courbure, et dans les sections droites, les onduleurs, sources de lumière d’excellence. Or, les caractéristiques des paquets d’électrons circulant dans l’anneau (notamment leur émittance, paramètre lié à la taille et à la vitesse des paquets), conditionnent la brillance (2) de la source de lumière, principal paramètre utilisé pour évaluer la qualité des synchrotrons. Cette brillance augmente avec le nombre d’aimants de courbure, et donc avec la circonférence de l’anneau – mais, en conséquence, également avec son coût…

Le design de SOLEIL a optimisé ces deux contraintes avec succès, puisque malgré sa circonférence limitée à 354 mètres, l’émittance est aussi bonne que celle de machines plus grandes (d’énergie comparable). SOLEIL et Diamond constitueront donc le peloton de tête des synchrotrons nouveaux de moyenne énergie.

(2) Nombre de photons émis par seconde, à une certaine longueur d’onde et dans une bande spectrale déterminée, par unité de surface de source et par unité d’angle solide.

Quand on parle de l’intensité du rayonnement lumineux, de quoi parle-t-on physiquement ? Cela concerne-t-il l’énergie des photons produits ? De la densité de photons dans une section donnée ? ...

Comme nous venons de le dire, on utilise plutôt la notion de brillance (2). Cette grandeur permet de qualifier à la fois le flux de photons disponible sur l’échantillon, et la possibilité de le focaliser et de l’exploiter avec une très haute résolution spectrale. La solution pour augmenter la brillance est de minimiser l’émittance (cf plus haut) et de d’équiper l’anneau de stockage d’onduleurs permettant un grand nombre d’oscillations des électrons, donc d’onduleurs longs. Or, l’optique de SOLEIL a été particulièrement optimisée dans ce sens : SOLEIL dispose de 24 sections droites, couvrant 30% de la circonférence de l’anneau (un record mondial), et ces sections droites permettent d’installer des onduleurs mesurant jusqu’à 12 mètres de long.

Le pouvoir pénétrant d’un rayonnement synchrotron provient-il de l’énergie des photons et/ou de la quantité de photons ?

Le pouvoir pénétrant du rayonnement vient de l'énergie des photons. Il dépend également du matériau, l’absorption des rayons X par un atome augmentant avec le nombre d’électrons de cet atome. Pour arrêter les rayonnements de haute énergie : rayons X durs et, au-delà, les rayons gamma, il faut utiliser des matériaux très denses au niveau électronique, comme le plomb. Les choses sont plus compliquées à plus basse énergie de photons : le verre, par exemple, est quasi opaque aux UV, mais laisse passer le rayonnement visible, pourtant moins énergétique.

L'intensité, c'est-à-dire la quantité de photons, est un autre paramètre très important. Si, à une énergie donnée, 50% des photons sont absorbés ( 'arrêtés') en surface d'un échantillon que l'on veut étudier en profondeur, la qualité de l'étude dépendra donc des 50% non absorbés. Et si 20 photons sont envoyés sur l'échantillon, on obtiendra de moins bons résultats que si on en envoie 2000.

Or l’intensité du rayonnement dépend directement du nombre d’électrons circulant dans l’anneau, donc du courant. Celui-ci sera particulièrement élevé à SOLEIL : 500 milli ampères. L’intensité dépend aussi de l’énergie des électrons dans la machine.

Les photons pénètrent la matière mais comment et sous quelle forme est récupérée l’information que produisent les photons ?

Lorsque les photons interagissent avec l'échantillon, plusieurs phénomènes peuvent se produire : leur absorption, leur réflexion par la surface, mais aussi leur diffusion, diffraction... ainsi que des phénomènes secondaires, comme la fluorescence (émission de photons de plus basse énergie) ou l’émission d’électrons. Chaque ligne de lumière est équipée d'instruments très spécifiques au type de phénomène étudié, permettant de détecter la réponse de l'échantillon : mesure de la quantité de photons absorbés et transmis dans les expériences d'absorption, mesure de la quantité d'électrons émis pour la spectroscopie de photoémission... Certains détecteurs ont été conçus et fabriqués à SOLEIL.

SOLEIL, en tant que synchrotron de 3ème génération, propose un faisceau plus cohérent, qu’est-ce que cela signifie ?

Qu'est-ce que la cohérence ? Lorsqu’on parle d’une onde plane on définit :

i) sa fréquence n ou sa longueur d’onde l = c/n (avec c = vitesse de la lumière). Dans les centres synchrotrons on parle plutôt d’énergie de photon, E = hn (h, constante de Plank).

ii) sa direction de propagation.

On peut imaginer une belle vague se propageant à la surface de l’eau. Elle vient de l’infini, elle va à l’infini avec la même longueur d’onde : c'est la cohérence longitudinale. Elle a une direction parfaitement définie : c'est la cohérence transverse.

Cohérence longitudinale
En pratique, il existe des interférences le long de l'onde produite par les électrons. La 'longueur de cohérence longitudinale' correspond à la distance au bout de laquelle se produisent ces interférences. Dans les manips synchrotron, cette 'longueur de cohérence longitudinale' ne dépend pas de la source mais du système permettant de choisir la longueur d’onde utilisée pour réaliser l'expérience, c'est-à-dire le monochromateur. Plus sa bande passante est petite, meilleure est la cohérence longitudinale. Mais on perd alors beaucoup d’intensité de faisceau. De par la grande brillance des sources synchrotron, on peut cependant se le permettre.

Cohérence transverse
Toujours en pratique, la direction de propagation de l’onde n’est elle non plus pas parfaitement définie, à cause cette fois de la taille de la source de rayonnement. On définit une 'longueur de cohérence transverse', qui dépend de la taille du paquet d’électrons et de la distance entre la source et l'échantillon. On délimite alors, grâce à un système de fentes, une zone où la cohérence transverse est correcte. Là encore, on perd beaucoup d’intensité lumineuse - mais on peut, encore une fois, se le permettre grâce à la grande brillance de la source !

Pour résumer : les synchrotrons de 3è génération ne sont pas des sources intrinsèquement cohérentes, ce ne sont pas des lasers. Mais comme ces sources sont très brillantes on peut :

1- Monochromatiser fortement pour augmenter la longueur de cohérence longitudinale.

2 – Se placer loin de la source et sélectionner la partie cohérente du faisceau.

3 – En profiter pour faire des expériences différentes en imagerie cohérente du type de celles effectuées avec des lasers mais en rayonnement X donc avec des informations structurales !

Pour que les électrons émettent leur lumière de manière parfaitement cohérente, il faudra attendre les sources de 4ème génération...

Si des synchrotrons de 4ème génération devaient voir le jour quelle ou quelles améliorations décisives apporteraient-ils ?

Les améliorations décisives concernant les synchrotrons de 4ème génération - il ne s'agit d'ailleurs plus de synchrotrons, on parle de lasers à électrons libres - sont les suivantes :

1) Comme il y a effet d’amplification, on a une puissance instantanée (nombre de photons par pulse) considérable. Ainsi les courbes de brillance par pulse font apparaître des gains de plusieurs ordres de grandeur (cela dépend de l’énergie considérée) par rapport à un onduleur. Ce gain en flux instantané, couplé à une émission plus brève, ouvre la voie à des expériences complètement nouvelles, faisant appel à l’optique non linéaire, que l’on ne peut faire avec les puissances des synchrotrons de 3ème génération. Par contre le taux de répétition est beaucoup plus faible qu’avec les 3ème génération (quelques Hz que l’on espère porter au kHz : rien à voir avec les quelques MHz des 3ème génération).

2) La largeur temporelle des impulsions est bien meilleure (quelques femtosecondes contre 30ps pour les 3ème génération) ce qui permet des études de dynamiques aux temps ultra courts, pouvant combiner par exemple un faisceau excitateur et un faisceau sonde (expériences pompe-sonde). Ces temps correspondent à la durée d’une vibration atomique ; les expériences conduites pourront donc sonder les mécanismes les plus fondamentaux dans l’interaction matière rayonnement, par exemple, inaccessibles à ce jour en rayonnement synchrotron.

3) Il s’agit d’un rayonnement intrinsèquement cohérent. Dans ce sens il est tout à fait analogue à celui d’un rayonnement laser. La cohérence longitudinale (temporelle) implique en particulier qu’il s’agit d’un rayonnement « beaucoup plus monochromatique » que celui d’un onduleur. Ainsi on pourra avoir au final, sur l’échantillon, un faisceau d’une bonne finesse spectrale sans perdre trop de flux (ce qui est le cas lorsque l’on doit monochromatiser un rayonnement « blanc », comme nous l’avons dit précédemment). La cohérence transverse est celle d’un laser, donc plus étendue que celle d’un onduleur.