La mallette pédagogique de SOLEIL Thème : La lumière synchrotron

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1 Dans ette fihe : D OCUMNT NSIGNANT La allette pédagogique de SOLIL Thèe : La luière synhrotron Date de parution : férier 4 Le LINAC : La rape de laneent des életrons et la ligne de transfert Le booster : la ronde endiablée des életrons L anneau de stokage : la piste de fond des életrons La luière enfin 8 Shéa de prinipe d une ahine synhrotron SOLIL est une soure de luière extrêeent perforante qui peret d explorer la atière, inerte ou iante. Les lignes de luière : interfaes entre la ahine et les expérienes Caratéristiques du rayonneent synhrotron 9 Toute partiule hargée subissant une aélération perd de l énergie sous fore de rayonneent életroagnétique. Lorsque ette partiule hargée subissant une aélération atteint une énergie dite relatiiste, elle éet un rayonneent appelé, dans e as, luière synhrotron. Ce rayonneent reêt des qualités partiulières de faible diergene, de polarisation, de ohérene, d étendue du doaine spetral, et... Captée à différents endroits d un anneau de stokage (354 de périètre pour SOLIL), ette luière est analisée ers des sorties, les lignes de luières. Chaque ligne est un éritable laboratoire, instruenté pour analyser les éhantillons. Les installations dédiées à sa prodution sont des outils de hoix pour sonder les strutures et étudier les propriétés de la atière inerte et iante. Opérationnel à partir de 6, SOLIL oure de nouelles perspeties pour explorer la atière ae une résolution de l ordre du illionièe de ètres et une sensibilité à tous les types de atériaux. Ses appliations sont ultiples en physique, en hiie, en sienes de l enironneent, en édeine et en biologie... Solution des exeries Mots-lés : Aélérateur Canon à életrons Rayonneent synhrotron Énergie relatiiste Onde életroagnétique Photons ev, kev, MeV Longueur d'onde Luière Brillane Polarisation

2 Page La allette pédagogique de SOLIL Thèe : La luière synhrotron Les Mahines de SOLIL SOLIL est un entre de prodution et d utilisation de rayonneent synhrotron. Il est onstitué d un enseble de ahines, qui sont détaillées dans les pages suiantes : le LINAC (LINear ACelerator), le booster qui est un synhrotron et l anneau de stokage d où partent les lignes de luière. Aélérateur et synhrotron Un aélérateur linéaire ou irulaire aélère des partiules hargées (protons, ions, életrons par exeple). Il est utilisé tant en reherhe fondaentale qu en reherhe appliquée, ou pour la édeine et l industrie. Un téléiseur est un aélérateur d életrons. Un synhrotron est un type d'aélérateur irulaire dans lequel les partiules se déplaent en paquets sur un rayon fixé, ontraireent au ylotron, et le hap agnétique roît de façon synhrone ae la itesse des partiules. Perte d énergie par rayonneent synhrotron Dès que des partiules hargées relatiistes (irulant presque à la itesse de la luière) subissent une aélération, elles perdent de l énergie en éettant un rayonneent életroagnétique dit rayonneent synhrotron. La perte d énergie due au rayonneent synhrotron n est pas liitée aux seules ahines dédiées. Ainsi, dans un aélérateur de partiules oe le LP (au Centre uropéen de Reherhe Nuléaire, CRN - Genèe), la déperdition d'énergie est très iportante, pour des partiules que l on herhe au ontraire à aélérer! Dans e as, la luière synhrotron est gênante et onsidérée oe parasite. Quelques exeples de perte d énergie par rayonneent synhrotron 4 ( GeV ) U ( kev ) 88,5 ρ ( ) Cironférene de l anneau en nergie de la ahine en GeV et en kev Rayon de ourbure ρ en nergie U perdue par tour en kev Super-ACO (Orsay) 7,8 GeV,8. 6 kev,7,3 SOLIL (Salay) 354,75 GeV,75. 6 kev 5, SRF (Grenoble) GeV 6. 6 kev 3,4 4,9. 3 LP (CRN Genèe) GeV 7. 6 kev 3 7,8. 5 Les éléents agnétiques de guidage Des éléents agnétiques guident le paquet d életrons tout au long de son «oyage». Les dipôles (36 dans le booster et 3 dans l anneau) sont à la fois des éléents agnétiques de guidage qui ourbent la trajetoire des életrons et des soures de luière. Les quadrupôles (44 dans le booster et 6 dans l anneau) et les sextupôles (8 dans le booster et dans l anneau) sont des «optiques» agnétiques qui perettent de onserer au ieux les qualités du faiseau. Ces éléents sont rapideent traités dans «3. L anneau de stokage». Vide dans l anneau Afin de ne subir auune déperdition d énergie qui serait due aux ollisions ae des oléules de gaz, il règne dans toutes es ahines un ide d eniron - bar. Pour ela on utilise de nobreuses popes de diers types.

3 Douent enseignant Page 3. Le LINAC : la rape de laneent des életrons et la ligne de transfert Le LINAC, aélérateur linéaire d une longueur de 6, est le preier aillon de la haîne. Son rôle est de fabriquer un faiseau d életrons pulsés (des bouffées de 3 ns, trois fois par seonde soit une fréquene de 3 Hz) d énergie de MeV ± 5 MeV. Le LINAC débute par un anon à életrons oparable à elui que l on troue dans un téléiseur : un éléent hauffé produit des életrons qu un hap életrique regroupe en paquets de la taille d un heeu. Les paquets d életrons ont être aélérés en oyageant sur une onde életroagnétique oe un surfeur sur la ague. Les éléents du LINAC sont : le anon à életrons, le groupeur, les setions aélératries.. Le anon à életrons Rôle : fabriquer des paquets d életrons de 9 kev d énergie (). Caratéristiques : - Tension : 9 kv - Intensité de sortie : de à A Le Wehnelt est porté au êe potentiel que la athode, ii 9 kv. Il a pour but de onentrer les életrons éis à faible itesse. On peut le onsidérer oe une optique életrostatique. Wehnelt à une tension de -9 kv Filaent de tungstène Cathode à une tension de -9 kv Grille en or* Faiseau d életrons Anode à une tension de V () A titre de oparaison, un anon à életrons de téléiseur fournit des életrons dont l énergie est d eniron kev. *la grille d or peret de pulser le faiseau d életrons : tension V : les életrons sont éis tension V : les életrons restent piégés Pour aller plus loin ae quelques aluls Vous pouez érifier ette affiration. : «à la sortie du anon, les életrons d énergie 9 kev ont une itesse d eniron /» ae la itesse de la luière dans le ide.

4 Page 4 La allette pédagogique de SOLIL Thèe : La luière synhrotron. Le groupeur Rôle : aélérer les életrons à la sortie du anon jusqu à la itesse de la luière. Au début du groupeur, les életrons sont non relatiistes, est-à-dire qu ils ont une itesse «faible» par rapport à ( de l ordre de /). Ils sont trop lents pour être aélérés par une setion aélératrie lassique (oir idessous). Par ontre, en oyageant sur une onde életroagnétique adaptée, ils sont aélérés jusqu à atteindre la itesse. A la sortie du groupeur, l énergie des életrons est de 5 MeV..3 Les setions aélératries Rôle : aélérer les paquets d életrons de 5 MeV à MeV. Le LINAC oporte deux setions aélératries de 3 de long et 4,5 MeV haune. Dans haque setion, un générateur d énergie, appelé klystron, injete une onde életroagnétique de 3 MHz (). Les paquets d életrons, qui ontinuent de «surfer» sur ette onde, auulent au total une énergie de MeV : les 5 MeV initiaux du groupeur + fois 4,5 MeV. xeple de setion ae 9 aités aélératries () Cette onde est dite «de très haute fréquene». A titre de oparaison, la fréquene de l onde utilisée dans les téléphones portables est de 9 MHz et elle utilisée dans les fours à iro-ondes de 5 MHz (aleurs approxiaties). Pour aller plus loin ae quelques aluls Trouer à partir de quel endroit de la ahine les életrons sont relatiistes (itesse,99 ). Quelques pistes : pour,99 aluler l énergie inétique et adettre que dans le LINAC, la ontée en énergie est linéaire. Vous aez deux forules, relatiiste ou non. Laquelle hoisir? Peut-on faire l approxiation lassique?.4 La ligne de transfert du LINAC dans le booster Rôle : ajuster l énergie oyenne des paquets d életrons pour faire oïnider les aratéristiques du faiseau à la sortie du LINAC ae elui du booster. Le rendeent de la ligne de transfert «LINAC-booster» est au ieux de 3 %, est-à-dire que 3 % des életrons fabriqués par le LINAC sont injetés dans le booster ; les autres se perdent. Cette «perforane» orrespond à peu près à replir un tuyau ae un arrosoir!

5 Douent enseignant Page 5. Le booster : la ronde endiablée des életrons A la sortie du LINAC, les életrons entrent dans le booster, synhrotron de 57 de périètre. n une fration de seonde, leur énergie a passer de MeV à 75 MeV (ou,75 GeV) par une aélération due à un hap életrique. C est pendant ette ontée en énergie que les aratéristiques du faiseau ont être affinées : diensions des paquets et dispersion en énergie par exeple. L aiantation dans les dipôles du booster arie de,7 T (lorsque les életrons entrent dans le booster ae une énergie de MeV) à,74 T (lorsque les életrons atteignent l énergie de,75 GeV et ont quitter le booster). Pendant la ontée en énergie, les életrons sont dans le booster. nsuite, lors de la diinution du hap, dans la èe partie de la ourbe, le booster est ide, les életrons ayant été transférés dans l anneau. Pour passer de à 75 MeV en 66 s, les életrons font eniron 3 tours dans le booster. Pour aller plus loin ae quelques aluls Quelle est la itesse oyenne des életrons dans le booster? Coparez-la à, itesse de la luière dans le ide. Quelques aleurs de hap agnétique : La Terre : T (ette aleur oyenne arie dans le teps et dépend du lieu) Sous une ligne haute tension : T (alternatif) Aiant peranent fabriqué à l'aide d'oxyde de fer : oins de, T Aiant peranent très fort (à base de oposés de terres rares) : eniron,5 T IRM (iagerie par résonane agnétique) : T (les bobines des aiants sont refroidies à l héliu liquide) Chap agnétique intense généré en laboratoire : à T Proxiité d'une étoile à neutrons : 6 T La ligne de transfert du booster dans l anneau lle peret une adaptation du faiseau entre le booster et l anneau. D une longueur de 4, elle oporte 3 dipôles et 7 quadrupôles. Le rendeent de la ligne de transfert «booster-anneau» est eilleur que elui de la ligne de transfert «LINACbooster»: au ieux 7 % des életrons sortant du booster entrent dans l anneau. Pour aller plus loin ae quelques aluls Quel est le rendeent de la ahine, sahant que 3 % des életrons fabriqués par le anon entrent dans le booster et 7 % des életrons sortant du booster entrent dans l anneau?

6 Page 6 La allette pédagogique de SOLIL Thèe : La luière synhrotron 3. L anneau de stokage : la piste de fond des életrons Les életrons relatiistes sont transférés dans l anneau de stokage pour y tourner ae une énergie de,75 GeV pendant plusieurs heures. C est un tube feré d eniron 5 de diaètre onstitué d une suession : de irages (où se trouent les éléents agnétiques de ourbure appelés aussi dipôles ou aiants de ourbure), de parties droites où se trouent les éléents agnétiques d insertion (wiggler et onduleur) et de réglage du faiseau (quadrupôles et sextupôles). Sur les 354 de périètre de l anneau de SOLIL, il y a 4 % de parties droites, e qui en fait atuelleent la ahine la ieux optiisée oe soure de rayonneent synhrotron. Chaque fois que les életrons se déplaent de façon non retiligne et non-unifore (e qui est le as dans les dipôles et dans les éléents agnétiques d insertion), ils subissent une aélération et perdent de l énergie sous fore de rayonneent synhrotron. La perte d énergie est opensée par deux aités aélératries. 3. Les éléents agnétiques Du LINAC à l anneau de stokage, il y a plusieurs dizaines d éléents agnétiques. Les dipôles (ou aiants de ourbure) font tourner les életrons, qui éettent alors du rayonneent életroagnétique. D autres, les quadrupôles et sextupôles, sont des lentilles agnétiques hargées de onentrer les paquets de partiules afin de onserer leurs qualités. Les dipôles ou aiants de ourbure Les quadrupôles Les sextupôles Rôle : guider la trajetoire des életrons en les faisant tourner et produire de la luière synhrotron. Dans l anneau de SOLIL, il y a 3 dipôles soit une rotation de 5 à haque fois. Longueur : Chap :,7 T pour haque dipôle. Rôle : assurer la foalisation du faiseau d életrons. Les quadrupôles ont une fore en 8. Leur ulasse s ajuste pour les sorties de luière. Longueurs :,3 et,46 Chap : de T au entre à eniron,6 T à 3 du entre. Rôle : aintenir le faiseau le plus stable possible. Les sextupôles ont une syétrie parfaite d ordre 6 dans la région des pôles. Ils doient pouoir produire des haps agnétiques orretifs. Longueur :, eniron Chap : de T au entre à eniron,5 T à 3 du entre.

7 Douent enseignant Page 7 3. Les éléents agnétiques d insertion : onduleur et wiggler Ce sont des dispositifs agnétiques plaés dans les parties droites de l anneau. Ils sont forés de deux âhoires faites de petits aiants juxtaposés qui obligent les életrons à suire une trajetoire ondulée, un peu oe elle d un skieur qui godille. A haque ondulation, l életron subit une aélération et éet de la luière. La luière éise dépend du type d éléent (onduleur ou wiggler) et de ses aratéristiques. Les wigglers Les onduleurs Dans le «wiggler», l obserateur oit un train d ipulsions luineuses qui s ajoutent de façon inohérente. Rôle : déplaer l éission de rayonneent ers les plus ourtes longueurs d onde. Le spetre éis par un wiggler est ontinu oe elui d un aiant de ourbure ais ae un déalage ers les ourtes longueurs d onde. t ae une plus grande brillane. Rôle : augenter la brillane du rayonneent éis. Dans l onduleur, les életrons ondulent en s éartant très peu de leur trajetoire. Les nappes d éissions se reourent. Certaines longueurs d onde se trouent «faorisées» et l on obtient un spetre de raies. On perd en largeur de bande ais on gagne en brillane par un fateur N (ae N le nobre d aiants de l éléent). Spetres des éissions de rayonneent synhrotron dues aux életrons dans les différents éléents agnétiques.

8 Page 8 La allette pédagogique de SOLIL Thèe : La luière synhrotron 4. La luière enfin Le spetre de la luière (ou rayonneent) synhrotron oprend toutes les longueurs d'onde depuis l'infrarouge jusqu'aux rayons X en passant par le isible et l'ultraiolet. On dit souent que est un faiseau blan. Les propriétés rearquables du rayonneent synhrotron ourent la oie à un nobre roissant d utilisations en physique, hiie, sienes de l enironneent, édeine et biologie, ainsi que pour l industrie. L éission synhrotron se produit de l infrarouge ( -5 ) aux rayons X durs (,5. - ) soit en énergie de ev à 5 kev. Chaque utilisateur peut séletionner la longueur d onde adaptée à l expériene qu il onduit. La polarisation du rayonneent peret l étude des propriétés de surfae des atériaux et des interfaes. Le rayonneent pulsé (suite de paquets) peret l étude dynaique de phénoènes, oe des réations hiiques ou des déforations de oléules. L éission de luière synhrotron obtenue dans un aiant de ourbure peut être oparée à la luière éise par des phares de oitures dans un irage, et reçue par un obserateur iobile. Ce dernier oit une nappe. Les petites longueurs d onde sont au entre et les grandes à la périphérie. Pour aratériser e rayonneent, les sientifiques utilisent «l éittane», paraètre qui se définit approxiatieent oe le produit de la surfae du faiseau par sa diergene. V β et γ β Pour aller plus loin ae quelques aluls Obserez la nappe du rayonneent synhrotron, sur la figure i-dessus. Sur quel paraètre peut-on jouer pour ajuster la largeur de la nappe de luière?

9 Douent enseignant Page 9 5. Les lignes de luière : interfaes entre la ahine et les expérienes Les expérienes se déroulent dans des lignes de luière, qui sont des «laboratoires» d une ingtaine de ètres de long en oyenne. Chaque ligne de luière est spéialisée pour un doaine bien défini. Cherher une protéine dans une ellule par spetrosopie ou irosopie infrarouge (IR) ou déteriner la struture d une protéine par diffration de rayons X (RX) ne s effetuent pas sur les êes lignes de luière. Les lignes de luière sont onstituées de trois parties ou abines : La abine optique : C est la preière abine où arrie, d un aiant de ourbure ou d un éléent d insertion (onduleur ou wiggler), le faiseau de luière. Miroirs et onohroateurs séletionnent la longueur d onde néessaire à l expériene et foalisent le faiseau. Les dispositifs optiques sont différents suiant les longueurs d ondes (RX ous : onohroateur à réseau, ondenseur, RX durs : onohroateur à ristaux, olliateur, et.). La abine expériene : L éhantillon à étudier, généraleent très petit (< ), est positionné sur son support. Lorsqu il «reçoit» la luière inidente, il «répond» de dierses anières. Cette réponse est enregistrée par un ou plusieurs déteteurs qui dépendent du type d éission : la préision du positionneent de l éhantillon et de la trajetoire du faiseau inident doit être très fine, étant donné les petites diensions du faiseau oe de l éhantillon. A SOLIL, les abines optiques et les abines d expériene sont entourées de urs de plob afin d éiter toute éission de faiseau ers l extérieur de la ligne de luière de rayonneent synhrotron. La station de traail : De ette abine, herheurs et ingénieurs assurent de nobreuses tâhes. Ils interiennent sur ertains paraètres de l expériene (position de l éhantillon, foalisation, longueur d onde, et.) et suient l enregistreent des résultats ia des systèes életroniques et inforatiques. C est généraleent dans ette abine que se troue la ahine à afé robots à piloter : Un des points néralgiques d'un synhrotron oe SOLIL est le systèe inforatique de "ontrôle-oande" : il onsiste à faire ouniquer enseble plusieurs systèes hargés de piloter des illiers d équipeents, depuis le anon à életrons du LINAC jusqu à la sortie du faiseau de photons déliré aux expérienes. De êe, le systèe inforatique de ontrôle de haque ligne d expérienes doit perettre en êe teps par exeple, de ferer les âhoires d'un onduleur, d aéder à la aleur du ourant stoké dans l anneau, de laner une aquisition de données, puis de réupérer les inforations aquises. Un éritable défi tehnique et inforatique pour atteindre un tel nieau d intégration des équipeents.

10 Page La allette pédagogique de SOLIL Thèe : La luière synhrotron 6.Caratéristiques du rayonneent synhrotron Très forte brillane : flux (nobre de photons par seonde) de. La brillane est le flux de photons (photons/seonde) par unité d angle solide et de surfae transerse de la soure (en photons/s/ /rad /,% λ/λ). Pour la ajorité des expérienes, ette unité aratérise les qualités d une soure. Faiseau de très faible «ouerture» : très olliaté, de l ordre du rad. Large gae de longueur d onde : de l infrarouge aux rayons X durs, e qui donne : n énergie : ev à 5 kev. n longueur d onde : -5 à,5. - ou 4 n à,5. - n. Rayonneent pulsé : pulse de 5 ps répété toutes les 3 ns. Rayonneent ayant une bonne ohérene spatiale, le diaètre de la soure de l ordre de quelques (et teporelle après le onohroateur.) Rayonneent stable en position de l ordre de quelques, et d intensité non flutuante, e qui est priordial pour la fidélité des résultats. Adaptable en longueurs d ondes : le faiseau est «blan», de l infrarouge aux rayons X durs. Ce qui peret d étudier en partiulier : des petits éhantillons grâe à la faible diergene et au haut flux du faiseau refoalisable, des phénoènes dynaiques (réation hiique) et relaxations de systèe (fluoresene) ar le rayonneent est pulsé. Fidélité des résultats du fait de la stabilité du faiseau. Bon rapport signal sur bruit ar haut flux et faibles flutuations. Longueur d onde Soures lassiques Rearques Infrarouge Ultraiolet Rayons X LL et LASR IR LASR UV LASR X Tubes RX Les LASRs ne sont pas aordables en longueurs d onde (ou très diffiileent). Spetre d éission sous fore de raies. Mêes liites que pour le doaine infrarouge. Ce type de soure est utilisé pour des durées d ipulsions extrêeent brèes (fs). Au LULI (Laboratoire d utilisation des lasers intenses, à Polytehnique ssonne) longueur d onde de 4 n ae un tir toutes les 5 inutes! Spetre d éission sous fore de raies, faiseau non polarisé et de faible brillane. Coparaison ae des soures lassiques

11 Vous pouez érifier ette affiration. : «à la sortie du anon, les életrons d énergie 9 kev ont une itesse d eniron /» ae la itesse de la luière dans le ide. 7. Solution des exeries. Calul non relatiiste ae 9 kev 9 x,68 x -6 J et 9,x -3 kg : énergie inétique. On obtient : 3 x 6,7x 8.s - e qui est prohe de / Calul relatiiste t + t : énergie totale : énergie au repos ae.,5 MeV t. ae où est la itesse de la partiule et elle de la luière. dans e as on troue /. t + Trouer à partir de quel endroit de la ahine les életrons sont relatiistes (itesse,99 ). Quelques pistes : pour,99 aluler l énergie inétique et adettre que dans le LINAC, la ontée en énergie est linéaire. Vous aez deux forules, relatiiste ou non. Laquelle hoisir? Peut-on faire l approxiation lassique? Sahant que ae,99 et,5 MeV On obtient 3 MeV. Ainsi les életrons deiennent relatiistes dans le preier ètre du LINAC. Il faut prendre la forule relatiiste : on ne peut plus faire l approxiation lassique. t + Page Douent enseignant

12 Page La allette pédagogique de SOLIL Thèe : La luière synhrotron Solution des exeries (suite) Quelle est la itesse oyenne des életrons dans le booster? Coparez-la à, itesse de la luière dans le ide? Sahant que les életrons font 3 tours (3. 5 tours) du booster de 57 de périètre en 66 s, on a 5 distane ,84. /s -3 durée 66 Si l on opare ae 3. 8 /s, on obtient,95 Quel est le rendeent de la ahine, sahant que 3 % des életrons fabriqués par le anon entrent dans le booster et 7 % des életrons sortant du booster entrent dans l anneau? % des életrons sortant du anon à életrons se retrouent dans l anneau, soit oins de sur 4. Obserez la nappe du rayonneent synhrotron, sur la figure. Sur quel paraètre peut-on jouer pour ajuster la largeur de la nappe de luière? On oit que la largeur du spetre est inerseent proportionnelle au fateur de ontration γ qui dépend lui-êe de la itesse des életrons, et don de leur énergie, oe l indique le tableau i-dessous. Ae la itesse de l életron et son énergie / en MeV γ γ - ψ en radian,5,,5,,98,5,59,5,866,87,,5,95,64 3,,3,99 3,6 7,,4,999,5,4, (,95) 9,5. -4 ACO, (,64) 6,4. -4 Super ACO, (,7),7. -4 DCI, (,8),8. -4 SOLIL, (,85) 8,5. -5 SRF ACO : Anneau de Collisions d Orsay DCI : Dispositif de Collisions dans l Igloo (Orsay) SOLIL : Soure Optiisée de Luière d nergie Interédiaire du LUR LUR : Laboratoire pour l Utilisation du Rayonneent letroagnétique (Orsay) SRF : uropean Synhrotron Radiation Faility (Grenoble)