Introduction au rayonnement synchrotron

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1 Introduction au rayonnement synchrotron Jean-Michel Ortega CLIO/LCP Bat. 201 Porte 2 Université Paris Sud Orsay Le rayonnement synchrotron («RS») a pris une très grande importance pratique depuis que l'on s'est aperçu que le rayonnement émis dans les accélérateurs circulaires (en particulier les anneaux de stockage) constituait une source d'une intensité et d'une brillance spectrale exceptionnelles, en particulier à courte longueur d'onde : - Rayons "X" (hυ 1 kev soit λ 10 Å) - "XUV" (10Å λ 500 Å) - "VUV" ("Vacuum Ultra-Violet" : 500 Å λ 2000 Å) - "UV" (0.2 µm λ 0.4 µm) où le rayonnement est utilisé pour sa structure temporelle. - Également la région de l'infrarouge (1 µm λ 1 mm) où les sources classiques ont une brillance assez faible. L'exploitation des possibilités de ces sources a donné lieu à la construction d'un grand nombre d'anneaux de stockage à travers le monde et à l'implantation et au développement auprès de ceux-ci d'un grand nombre d'expériences de toutes sortes. Les centres de rayonnement synchrotron dans le monde :

2 Les anneaux de stockage Les anneaux de stockage ont été étudiés à partir de la fin des années 1950 afin de réaliser des collisions "frontales" particule contre antiparticule. Cette technique s'est révélée extrêmement fructueuse pour l'étude de la matière, particulièrement en utilisant des électrons collisionnant avec des anti-électrons ("positrons"). electrons positrons particules secondaires COLLISIONS e-p

3 Les succès obtenus avec les premières machines ont conduit à construire de nombreux anneaux de collisions jusqu'à nos jours. Ces anneaux ont été de plus en plus grands, afin d'atteindre des énergies de plus en plus élevées. Anneau Circonférence Energie des particules ACO (Orsay ) 22 m 500 Millions de Volts (0.5 GeV) DCI (Orsay ) 84 m 1800 Millions de Volts (1.8 GeV) LEP-CERN (1990) 27 km Millions de Volts (50 GeV) (Centre de Recherches Européen situé à la frontière Franco-Suisse) Actuellement, ces machines ne sont plus utilisées pour la physique des particules. En effet, l émission de rayonnement synchrotron devient trop important aux énergies que l on veut atteindre (> 100 GeV). Par contre, ce rayonnement synchrotron, qu'ils émettent tangentiellement à la trajectoire des particules, a pris une importance considérable dans d'autres domaines de la Science avec des machines d énergie comprise entre 1 et 10 GeV. L intérêt des anneaux de stockage est qu ils permettent d obtenir un courant fort. Considérons, par exemple, un faisceau d électrons de 0.5 Ampère à 2 GeV. Dans un accélérateur linéaire, un tel faisceau transporterait une puissance de 1000 MW (produit I.V)! Avec les rendements que l on sait faire, il faudrait 3 tranches de centrales nucléaires pour fournir la puissance, sans compter de gigantesques installations de production d ondes radiofréquence. De plus, un tel faisceau ne pourrait être maîtrisé, la moindre «fuite d électrons» faisant fondre la chambre à vide Dans un anneau, il suffit de restituer aux électrons la puissance qu ils ont perdu par émission de RS, soit quelques dizaines de kw. L émission de rayonnement se fait soit dans des structures magnétiques imprimant aux électrons des trajectoires particulières. On utilise principalement l émission se produisant dans les aimants de courbure, constitutifs de l anneau de stockage ainsi que des «onduleurs», structures magnétiques faisant exécuter aux particules des oscillations autour de leur trajectoire moyenne. L émission est confinée dans un cône étroit :

4 Onduleur cône d'angle 1/ γ Anneau de stockage γ - 2 E (MeV) > / γ (D C I) - 0,3 m rad Aimant de courbure Nappe de rayonnem ent d'ouverture verticale 1 / γ L'amélioration continue des anneaux de stockage a abouti à une augmentation spectaculaire des performances, comme le montre la figure ci-dessous. L'amélioration ne porte pas sur l'intensité du faisceau lumineux, mais sur sa pureté spectrale et sa capacité à être focalisé dans un très petit volume de l'espace (c'est ce que l'on appelle la brillance). Il y a autant d'ordres de grandeur entre le RS émis par les anneaux dits de «3 ième génération) et le tube à rayons X qu'entre la lampe à incandescence et les lasers (bien que le RS "ordinaire" ne soit pas un laser). Le RS est au moins un milliard de fois ou plus (> 109) plus brillant que les habituels générateurs de rayons X. Il s'agit donc d'une véritable révolution dans le domaine de la spectroscopie X et XUV. Le RS est devenu un outil universel dans le domaine des sciences de la matière.

5 Dans le monde, des dizaines d'anneaux ont été construits pour le rayonnement synchrotron, les plus récents ayant une circonférence d'environ 500 mètres. Des dizaines de milliers d'utilisateurs (chercheurs scientifiques, industriels) viennent y faire chaque année des expériences, mesures et caractérisations nécessitant cette technologie de pointe dans différents domaines : - Recherche fondamentale : Atomes et molécules, Physique des surfaces, Physique des solides, Chimie, Biologie. - Recherche appliquée : Biologie / Pharmacologie (structure des molécules biologiques : protéines, enzymes, virus), Etude de la catalyse, Etude de matériaux (céramiques, alliages métalliques...), microscopie en rayons X. - Recherche industrielle : Micromécanique (réalisation de "micromachines" aux applications très diverses en Robotisation, Médecine...), Microlithographie (gravure de masques permettant la réalisation de circuits intégrés à très grande densité pour les ordinateurs). (Voir par exemple :

6 Exemple d application : Structure des protéines, ces microscopiques briques de la vie Une application importante des rayons X, mise en œuvre dès le début du XXe siècle, est l étude des structures cristallines. Pour les structures simples (le chlorure de sodium par exemple), des tubes à rayons X suffisent. Mais pour les structures complexes comme les protéines, il est nécessaire d utiliser des rayons X de très haute énergie (de très faible longueur d onde), que des synchrotrons comme l ESRF et SOLEIL savent produire. Structure cristalline «simple» du chlorure de sodium. Cette structure a été déterminée vers 1920, avec un tube à rayons X Structure d une sous-unité du ribosome, assemblage complexe de protéines et d acides nucléiques. L organisation de cette extraordinaire micro-machine, constituée de dizaines de milliers d atomes, n aurait pu être élucidée sans le rayonnement synchrotron. (ESRF Ligne de cristallographie)

7 Le ribosome est la «machine» à fabriquer les protéines à partir de l'information génétique. Ce complexe macromoléculaire, situé au coeur de la cellule, est constitué d'arn et de nombreuses protéines. Sa structure, car c'est une des clés permettant d'accéder à la compréhension du vivant. Des équipes de chercheurs étudient aujourd'hui, à l'aide du rayonnement synchrotron, l'action d'antibiotiques sur la production de protéines par le ribosome d'une bactérie.

8 La machine SOLEIL en construction à Saclay (Essone)

9 La machine européenne (ESRF) à Grenoble Schéma des 2 anneaux (NSLS-Brookhaven) et les différentes expériences construites autour :

10 Faisceau de RS visualisé par sa fluorescence: Il est aussi collimaté qu un laser.

11 En France, le laboratoire LURE, à Orsay, a été pionnier dans l utilisation du RS, en utilisant un des premiers anneaux de stockage jamais construit : ACO, conçu initialement pour réaliser des collisions électron-positron (le positron est l antiparticule de l électron, tournant en sens inverse dans un anneau). ACO est maintenant classé monument historique ( Il a ensuite exploité 2 anneaux (Super-ACO : 800 MeV, DCI : 1800 MeV) afin de couvrir tout le domaine spectral et accueillait environ un millier d'utilisateurs par an. Il exploitait également un «laser à électrons libres» (LEL) infrarouge, CLIO, opérant entre 3 et 120 µm (toujours en opération au LCP-Orsay), ainsi qu un autre sur Super-ACO dans l'uv. LURE est maintenant fermé au profit d un nouveau centre de RS : SOLEIL sur le plateau de Saclay ( Implantation du LURE à l université Paris-sud (Orsay) : Accélérateur linéaire (2 GeV, 300 m) ACO(500 MeV) DCI (1.8 GeV) Super-ACO

12 Anneau Super-ACO : gauche - intérieur de l'anneau montrant la ligne d'injection des électrons venant de l'accélérateur linéaire (en vert) avec une section de l'anneau (en bleu) droite - Une partie des lignes de lumière sortant du mur d'enceinte de l'anneau. A chaque ligne correspond une station comprenant des appareillages sophistiqués Une partie des expériences autour d un anneau (NSLS)

13 On voit qu un centre de rayonnement synchrotron est le «laboratoire des laboratoires»!

14 Principe du Rayonnement Synchrotron : Toute particule chargée se déplaçant de façon non uniforme (c'est à dire soumise à une accélération) émet un champ électromagnétique. Selon les directions respectives de l'accélération et du mouvement de la particule, il peut y avoir émission ou absorption d'ondes électromagnétiques. Lors de l'absorption il y a accélération des particules (c'est ainsi qu'on les accélère avec des cavités radiofréquence). Lors de l'émission il y a décélération des particules (d'où la nécessité d'une cavité radiofréquence sur les anneaux de stockage pour maintenir leur énergie). Ces processus, étant proportionnels à l'inverse de la masse de la particule, sont beaucoup plus efficaces pour un électron que pour un proton ou un ion (m e /M p ). C'est ainsi que le rayonnement émis dans un anneau de stockage de protons (même de plusieurs dizaines de GeV) est très faible et ne contribue pratiquement pas à l'amortissement des oscillations des particules autour de leur point d'équilibre, alors que ce phénomène domine la dynamique des anneaux à électrons. Dans un "petit" système (tel un atome) les niveaux d'énergie sont très éloignés les uns des autres et le problème doit être traité quasi-exclusivement en mécanique quantique. Dans un grand système, tel un accélérateur, on peut se limiter dans la plupart des cas (mais pas toujours) à la mécanique classique relativiste. Usuellement, on désigne sous le nom de "rayonnement synchrotron" le rayonnement émis par des électrons tournant dans un anneau de stockage. En fait, il s'agit plutôt de tout rayonnement émis par des particules de haute énergie se propageant dans le vide. Dès que le mouvement des particules n'est pas rectiligne et uniforme du rayonnement est émis. Lorsque la particule possède une vitesse proche de la lumière la fréquence du rayonnement est déplacée vers les courtes longueur d'ondes (vers le "bleu" contrairement au rayonnement des galaxies, vers le "rouge", que l'on regarde s'éloigner), par "effet Doppler relativiste". Le déplacement relatif en fréquence atteint plusieurs ordres de grandeurs pour les particules possédant une énergie cinétique grande par rapport à leur énergie de masse. Ceci permet d'atteindre des longueurs d'onde courtes, telles celles des rayons X, et donc de s'affranchir de la nécessité d'utiliser des émetteurs dont la taille est comparable à la longueur d'onde. On pourrait dire qu'au lieu d'utiliser des émetteurs "quantiques", donc peu maniables, on utilise des systèmes macroscopiques, facilement

15 manipulables, dont on déplace la longueur d'onde par effet Doppler en variant l énergie, et donc la vitesse, des électrons.

16 Dans le cas d une antenne qui se déplace à une vitesse de plus en plus grande, on voit que le nombre de période émis reste constant dans un intervalle de temps donné, T, mais que celles-ci se trouvent comprimées sur une longueur de plus en plus petite. En effet la lumière se propage toujours à une vitesse constante égale à c dans le laboratoire (hypothèse relativiste). Antenne relativiste λ i c T v T (v - c / 2) c T v T (v - c) λ Le nombre, N, de périodes lumineuses émises pendant T est indépendant de v Νλ i /c =Ν(λ i λ)/ v ===> λ = λ i (1 v/c )

17 Historiquement, on a considéré d'abord le rayonnement émis sur une orbite circulaire, telle celle décrite dans un synchrotron. Par la suite, on s'est aperçu qu'en imprimant à des électrons, parcourant originellement une ligne droite, un mouvement transverse périodique, on obtenait un rayonnement encore plus intéressant pour le spectroscopiste : on désigne ce dispositif par le nom d'"onduleur" Lorsque le mouvement transverse est sinusoïdal, l'onduleur est assimilable à une antenne en mouvement, dite "antenne relativiste". En outre, l'onduleur est l'élément essentiel du "laser à électrons libres (LEL)". Ce dernier est également du rayonnement synchrotron, mais dans lequel les contributions des différents électrons sont exactement en phase et s'additionnent efficacement donnant un rayonnement que l'on qualifie d'"émission cohérente". électrons de haute énergie Principe du RS et du LEL (cohérence du rayonnement par la formation des micropaquets) : Un faisceau d'électrons (en bleu) de forte énergie parcourt une structure magnétique périodique ("l'onduleur") dont le champ magnétique périodique, de période λ 0, (en vert) fait osciller les particules autour de leur axe de propagation (ligne bleue) et leur fait émettre de la lumière synchrotron (en rouge). C est cette lumière que l on utilise dans les centres de rayonnement synchrotron. Dans le cas du LEL, grâce à un processus complexe, non detaillé ici, une modulation périodique de densité d électrons se forme progressivement le long de l onduleur conduisant à une mise en phase des trains d onde émis par chaque électron. Une cavité optique (miroirs en bleu clair) est souvent ajoutée dans le cas du LEL. Un rayonnement lumineux cohérent est ainsi obtenu par addition des amplitudes des trains d onde individuels.

18 Le LEL fonctionne sur des accélérateurs linéaires. Il apportera des possibilités supplémentaires, mais ne remplacera pas le rayonnement synchrotron actuel

19 Schema de principe d un LEL utilisant un accélérateur linéaire. Dans le domaine X, la longueur totale est de l ordre de 1 km ou plus Onduleur du LEL de Hambourg fonctionnant entre 13 et 50 nm

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