Livre blanc - Synchrotron SOLEIL

Situé en France, sur le plateau de Saclay, à 20 km au sud de Paris, SOLEIL est un
centre de recherche qui produit et utilise le rayonnement synchrotron.
Le rayonnement synchrotron est une lumière, une lumière au sens large bien sûr, non
restreinte au petit domaine du « visible » auquel la rétine de l'œil humain est sensible.
Ses qualités exceptionnelles de brillance et d'étendue spectrale (allant de l'infrarouge aux
rayons X durs) en font un outil privilégié pour explorer la matière, dans les domaines aussi
variés que la biologie, la chimie, la science des matériaux, l’environnement, la physique, les
sciences de la Terre, le patrimoine culturel ou l’archéologie.
Le rayonnement synchrotron est produit par des électrons de très haute énergie qui
tournent dans un accélérateur circulaire (un anneau de 354 mètres de périmètre). Il est
ensuite exploité dans des « lignes de lumière », au bout desquelles sont montées les cibles,
c'est-à-dire les échantillons de matière à étudier.
Un très grand instrument pour fournir la lumière, un laboratoire aux multiples dispositifs
expérimentaux pour l'utiliser : telles sont les deux faces de SOLEIL que nous allons tenter
de développer dans cette mallette pédagogique. En commençant par l'histoire…
SOLEIL (France) est entré en service début 2008, 60 ans après que Elder, Langmuir et
Pollock aient observé pour la première fois le rayonnement synchrotron dans les laboratoires
de la General Electric à Schenectady (USA).
Comme toutes les histoires scientifiques, l’histoire du rayonnement synchrotron est liée à
celle de la physique dans son ensemble. Nous allons brièvement la raconter en séparant
deux périodes, l'Antiquité et la Renaissance d'une part, les Temps Modernes d'autre part
et en nous limitant aux seuls domaines de l'électricité, du magnétisme et du vide, étant
conscients de laisser en chemin quelques personnages déterminants ou quelques
expériences cruciales !
Introduction 1
Histoire des techniques 2
• L’Antiquité et la Renaissance
• Les Temps Modernes
La machine et les lignes 5
• Le Linac, le booster
• L’anneau de stockage
• Les éléments magnétiques
•
Pilotage, modes de fonctionnement
• La lumière synchrotron
• Les lignes de lumière
• Domaines d’énergie
Les dispositifs optiques 13
• Dans le visible
• Pour les rayons X et l’UV
• Dans l’infrarouge
Le magnétisme 19
• Dipôles et aimants
• A l’échelle atomique
• Les aimants de SOLEIL
Le vide 23
• L’ultravide à SOLEIL
• Durée de vie des électrons
• Pompage, étuvage, dépôt NEG
Les méthodes d'analyse 26
Les applications 30
• Cirrhose et cancer du foie
• Infection de cellules
• Performances des batteries
• Sécurité sanitaire
• Bleus de Murillo
• Âge des arbres exotiques
• Bactéries magnétotactiques
• Comète en miniature
• Graphène
Corrigé de la fiche élève 35
Glossaire 36
Le synchrotron et ses lumières
De l’accélérateur aux applications
Document Enseignant
1

Histoire des techniques
De l’Antiquité à la Renaissance
La naissance de la physique comme science résulte de l'accumulation d'innombrables observations et théories qui, grâce à une
intense circulation des idées sur le continent Eurasien et autour de la Méditerranée, ont pu peu à peu se compléter et former un
tout cohérent.
Nos références culturelles, plus centrées sur l’Europe, nous conduisent à situer les origines de ce processus sur les bords de la mer
Egée, environ au Ve siècle avant JC. Alors qu’une majorité d’habitants pense que l’univers est gouverné par les dieux (Zeus règne
sur le ciel, Poséidon sur la mer...), quelques penseurs cherchent une explication rationnelle du monde, en ne faisant intervenir que
des causes naturelles. Ils ne sont ni physiciens ni chimistes mais philosophes, et construisent des raisonnements en observant
la nature. Ils tentent en particulier de percer les secrets de la matière : son origine, sa structure, sa variété, ses transformations.
De l’Antiquité à la Renaissance
w LA BOUSSOLE
Les grecs s'étaient déjà familiarisés avec les mystères des actions à distance en découvrant les
propriétés d'attraction de l'ambre jaune (dont le nom grec, « êlektron », est à l'origine du mot
électricité). Cependant, ils n'en avaient pas tiré d'utilité. En Chine, la première boussole connue,
décrite dans un livre de 1044, est constituée d’une feuille de fer aimantée en forme de poisson :
« On découpe une pièce de fer très fine en forme de poisson... On la porte au rouge dans un feu de
charbon et on la retire avec une pince. La queue restant orientée vers le Nord, on la trempe dans
l’eau pendant quelques minutes. » Ces premières boussoles étaient appelées Si Nan (le gouverneur
du Sud), car la cuillère pointe vers le Sud. Elles seront remplacées plus tard par une aiguille
pivotant sur son axe : le Shen Kuo, compas marin flottant dans un récipient d’eau pour atténuer les
mouvements du navire, mis au point pendant la dynastie des Song. Les 24 graduations du Si Nan
ou du Shen Kuo sont toujours utilisées de nos jours sur les compas des navires de pêche chinois.
La boussole sera introduite en Europe par les Arabes vers le XIIe siècle.
Source : http://www.ifremer.fr.
w LES PHILOSOPHES GRECS, LA MATIÈRE, ET LE VIDE
Les philosophes grecs sont partagés sur l'existence du vide et la nature de la matière. Ainsi, selon
Empédocle, Platon, ou encore Aristote (respectivement actifs vers 460, 400 et 350 avant J.C.), les
substances présentes dans l’univers découlent de quatre éléments que sont le feu, l’air, l’eau et la terre
[plus un cinquième, l’éther, dont la voûte céleste est formée]. Ces éléments primordiaux se combinent
dans des proportions variables, et remplissent le monde sans laisser le moindre espace vide. Par
exemple : « l’os est composé d’eau, de terre et de feu dans la proportion de deux parts d’eau et de
terre pour quatre parts de feu ».
A cette théorie des quatre éléments s'oppose la théorie atomiste, dont les principaux représentants
de l'époque sont Leucippe, Démocrite, Epicure, (440, 400 et 300 avant J.C.). Selon eux, la matière ne
peut se diviser à l’infini, sinon elle serait sans consistance. Elle est faite de petites particules invisibles
et insécables, les « atomes ». Les atomes sont solides, compacts (ils ne renferment aucun vide), en nombre infini, de formes multiples,
indestructibles et perpétuellement réutilisés : quand un arbre ou un animal meurt, leurs atomes se dispersent, puis se regroupent
pour former de nouveaux corps, parce qu’ils se déplacent dans le vide. « Si le vide n’existait pas, les atomes n’auraient pas d’endroit où
être ni se mouvoir, comme manifestement ils se meuvent » (Epicure, lettre à Hérodote). Le vide est donc la condition du mouvement ;
il est infini et permet aux atomes de changer de lieu ; il rend possible la division des corps, leur désagrégation puis leur re-formation.
De la combinaison des atomes découle la variété du monde.
2
Raphaël : L'école d'Athènes
(détail)
A la fin de l'Antiquité, les savoirs grecs se perdent en Europe (destruction de la bibliothèque d'Alexandrie en 415, fermeture des
écoles d'Athènes pour paganisme par Justinien en 529). Au Moyen-âge (du Ve au XVe siècle), la vie scientifique occidentale est quasi
inexistante : les invasions barbares ne sont guère propices à son développement et la culture qui s’installe dans les monastères est
littéraire et religieuse. En revanche, la vie scientifique est particulièrement active dans les pays méditerranéens et en Extrême-Orient.
En Chine, les savants se livrent à une observation attentive de la Nature (astronomie, physique, biologie) sans idée préconçue ni
volonté de théoriser. Cette démarche les pousse à accumuler un grand nombre de connaissances empiriques, par exemple dans
le domaine des vibrations sonores et du magnétisme. C'est ainsi que, très tôt, les Chinois se sont rendu compte que la magnétite
attirait les objets de fer, et que, présentée sous la forme d’une aiguille, elle pointait toujours dans une direction fixe.
Boussole chinoise du IIe siècle
av. JC - Epoque Han.
(Photo Michel Houdard)

Au cours de leurs conquêtes débutées après la mort de Mahomet en 632, les Arabes découvrent,
outre l'usage de certaines technologies comme la boussole ou le papier empruntées aux Chinois,
d'innombrables ouvrages (grecs, syriaques, persans, etc.) qu'ils traduisent. Ils héritent ainsi des
savoirs antiques, les approfondissent et innovent, grâce à une nouvelle manière de concevoir la
science, basée sur l'expérimentation et la mesure. Des capitales politiques et économiques telles
que Bagdad, Basra, Koufa, le Caire, Kairouan, Tlemcen, Fès, Cordoue et plus tard Istanbul, deviennent
d'importants centres intellectuels. Si les scientifiques du monde arabo-musulman ne remettent
pas en cause la physique d'Aristote (notamment Avicenne, Averroès, al-Ghazâli et Maïmonide),
ils progressent dans de nombreux domaines comme l'astronomie, la médecine, la géométrie et
l'optique.
De l’Antiquité à la Renaissance
w SAINT THOMAS
En faisant la synthèse de l’aristotélisme et du christianisme, le théologien Thomas d’Aquin
veut concilier la raison et la foi. Il influencera profondément la scolastique, c’est-à-dire le
savoir enseigné dans les écoles et les universités religieuses au Moyen-âge. La préoccupation
majeure des scolastiques n’est pas de découvrir des faits nouveaux, mais d’intégrer à la
révélation chrétienne le savoir déjà acquis par le raisonnement grec.
w ALHAZEN ET LES RAYONS LUMINEUX
La lumière a longtemps été considérée comme de nature divine. Pour les Grecs, elle est étroitement liée à la vision. Euclide le
mathématicien a l’idée brillante de la représenter par de minces filets rectilignes, les rayons lumineux. Il pense que l’œil envoie les
rayons frapper les objets, ce qui permet de les voir. En l’an mille, l'irakien Alhazen (Ibn al-Haytam) comprend le fonctionnement de
l’œil et affirme, au contraire d’Euclide, que la lumière provient des objets. Mieux, en s’appuyant sur d’innombrables expériences, il
ébauche les lois de la réflexion et de la réfraction. D'après lui, la « plus petite des lumières » est un être matériel : la lumière est donc
matière. Ses livres seront traduits en latin et circuleront en Europe. Copernic, Kepler, Galilée les liront et s’en inspireront ; comme pour
bien d’autres disciplines, ce sera la renaissance scientifique.
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A partir du Xe siècle, via l’Italie et surtout l’Espagne, les livres arabes commencent à cheminer vers l’Occident, où ils sont traduits.
L'Europe, à partir du XIIe siècle, découvre la science gréco-arabe : c’est la « crue aristotélicienne ». L'œuvre d’Aristote fournit en effet
un système complet et cohérent d’explication du monde tout en admettant qu’il existe un moteur premier, puissance divine à
laquelle tout obéit.
Ce n'est qu'à la Renaissance que, peu à peu, la science se dégagera de sa dépendance aristotélicienne
et religieuse. La représentation du monde évolue : en traversant les océans, Christophe Colomb
découvre de nouvelles terres ; au géocentrisme d’Aristote et de Ptolémée (la Terre immobile au centre
de l’Univers), Copernic oppose sa théorie héliocentrique (le Soleil est au centre de l’Univers, toutes
les sphères, dont la Terre, tournent autour de lui). A l’érudition, vient s’ajouter l’imagination. Cette
démarche favorise le développement des sciences expérimentales, avec Francis Bacon et Robert
Boyle comme précurseurs : la science est toujours basée sur l’étude de la Nature mais également sur
le principe qu’on ne peut croire en rien qui ne puisse être vérifié.
Dès lors, il existe des bases solides pour le développement des sciences modernes. A partir du XVIIIe
siècle, les savoirs s'accumulent dans tous les domaines. On saisit les notions de pression, de température,
de vide, de pesanteur. La chimie fait ses vrais débuts. Les instruments d'optique s'améliorent. Et
l'électricité passionne les foules. Sa compréhension est amorcée par les travaux du physicien français
Charles-Augustin Coulomb, auteur d'une loi célèbre, et du physicien italien Alessandro Volta, inventeur
de la pile électrique (1800).
Observatoire de Taqi al-Din à Istanbul
Saint Thomas d'Aquin,
entouré d'Aristote et de Platon
Dans son livre « The Sceptical
Chimist » paru en 1661, le
chimiste anglais Robert Boyle
critique la théorie des quatre
éléments d’Aristote et affirme
qu’une théorie doit être prouvée
expérimentalement avant d’être
tenue pour vraie.

Les Temps Modernes
A la fin du XVIIIe siècle, les germes de la physique moderne sont là, mais imaginer un synchrotron semble relever de l'utopie
la plus folle : il va falloir découvrir les électrons, les accélérer et les faire tourner quasiment à la vitesse de la lumière grâce
à des champs électriques, des champs magnétiques et un très bon vide. Pourtant, en 150 ans, les découvertes scientifiques
et les progrès technologiques vont aboutir à la construction du premier synchrotron.
Les phénomènes électriques et magnétiques sont connus depuis l’Antiquité mais, au début du XIXe siècle, leurs études restent
encore cantonnées à l'électrostatique (interaction entre corps chargés électriquement) et la magnétostatique (interaction entre corps
aimantés). Certes, les deux domaines présentent des similitudes, comme la propriété pour les objets étudiés de se repousser ou de
s’attirer, mais ils ne semblent pas liés… jusqu'en 1820, année où le physicien danois Hans Oersted découvre expérimentalement
l'effet magnétique créé par un courant, tandis qu'en 1831, le physicien britannique Michael Faraday démontre l’inverse : une variation
de champ magnétique crée un courant dans un circuit.
Progressivement, les lois de l'électricité et du magnétisme se construisent, grâce notamment aux français André-Marie Ampère,
Jean-Baptiste Biot, Félix Savart, à l'anglais Michael Faraday et à l'allemand Karl Friedrich Gauss, pour être finalement mises en forme
et synthétisées par l'écossais James Clerk Maxwell : il unifie, dans les années 1870, les forces électrique et magnétique et affirme
la possibilité de l'existence d'une onde électromagnétique.
L'époque est propice au développement de l’expérimentation grâce à un arsenal d’instruments de plus en plus performants :
c'est ainsi que le physicien allemand Hermann von Helmholtz invente un dispositif qui produit un champ magnétique uniforme
entre deux bobines. Les « bobines de Helmholtz » sont les ancêtres des aimants de courbure, ou dipôles, qui équiperont les futurs
synchrotrons. De même, le passage de l’électricité dans les gaz raréfiés fascine les savants car les grands phénomènes, électricité,
magnétisme, lumière et chaleur s’y manifestent ensemble. L'amélioration du vide dans les « tubes à vide » aboutit à la découverte
de l'électron en 1897 par le physicien anglais Joseph John Thomson.
Toujours plus de vide...
A chaque évolution technologique, correspond un nouveau palier
dans les plus basses pressions atteintes. La courbe ci-contre démarre
au XVIIe siècle avec Torricelli, premier homme à « voir le vide » en
retournant son tube barométrique (1644). On notera le long palier
de plus de 200 ans entre la première pompe à vide construite
par l’allemand Otto von Guericke (1650) et la pompe à mercure
imaginée par l’allemand Heinrich Geissler (1855).
Les techniques du vide permettent maintenant d’obtenir des pressions
très faibles de l’ordre de 10-13 bar (10-10 hPa) dans les accélérateurs
comme SOLEIL et jusqu’à 10-15 bar (10-12 hPa) dans certains dispositifs
de laboratoire
.
La base théorique du rayonnement synchrotron remonte à l'époque de la découverte de l'électron, puisque cette année-là, en 1897,
le physicien irlandais Joseph Larmor établit le principe du rayonnement d’un électron en mouvement, en dérivant une expression
de l'électrodynamique.
L'année suivante, en 1898, le français Alfred-Marie Liénard et l'allemand Emil Wiechert étendent ce résultat au cas d'une particule
relativiste subissant une accélération centripète dans une trajectoire circulaire.
Il faut ensuite faire un saut de 50 ans pour passer de la théorie à la pratique, puisque la mise en évidence expérimentale du
rayonnement produit par des électrons relativistes a lieu d’abord indirectement en 1946, par l’observation de la variation de l’orbite
de l’électron (J. P. Blewett), puis directement en 1947, par l’observation du rayonnement lui-même (H. Pollock et R. Langmuir) à
travers le hublot d’un synchrotron produisant des électrons de 70 MeV dans les laboratoires de la General Electric à Schenectady
(USA), d’où le nom de « rayonnement synchrotron ».
Retrouvez une frise chronologique plus complète sur les principales avancées intervenues dans l'étude de l'électricité, du magné-
tisme, du vide, de la lumière, de l'optique et des accélérateurs, de 1600 à nos jours : http://www.synchrotron-soleil.fr/
Les Temps Modernes
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1. De l’accélération des électrons à la production de lumière
SOLEIL est un centre de production et d’utilisation du rayonnement synchrotron. Il est constitué d’un Linac (un accélérateur
linéaire), d'un booster qui est un synchrotron et d'un anneau de stockage d’où partent les lignes de lumière.
• Le Linac : la « rampe de lancement » des électrons
Le Linac, accélérateur linéaire, est le premier maillon de la chaîne. Un élément chauffé produit des électrons qu’un champ
électrique regroupe en paquets aussi fins qu'un cheveu. Les paquets d’électrons sont ensuite accélérés jusqu'à une énergie de
110 MeV en voyageant sur une onde électromagnétique comme un surfeur sur la vague.
• Le booster : la ronde endiablée des électrons
A la sortie du Linac, les électrons entrent dans le booster, un synchrotron de 157 m de périmètre. A chaque tour, ils traversent
une cavité accélératrice, qui les regroupe et augmente leur énergie qui va passer, en une fraction de seconde, de 110 MeV à
2750 MeV (ou 2,75 GeV).
• L’anneau de stockage : la « piste de fond » des électrons
Les électrons sont transférés dans l’anneau de stockage pour y tourner pendant plusieurs heures à une vitesse très proche de
celle de la lumière. L’anneau est un tube fermé de 354 m de périmètre constitué d’une succession de parties droites et de virages.
Les électrons tournent dans les dipôles et ondulent dans les éléments d’insertion (onduleurs et wigglers) : ils subissent alors une
accélération et perdent de l’énergie sous forme de rayonnement électromagnétique appelé « rayonnement synchrotron »*.
• Les lignes de lumière
La lumière émise par les électrons est guidée vers des sorties, les « lignes de lumière ». Chaque ligne est un véritable laboratoire.
Il y en aura 29 à SOLEIL en 2014. Des emplacements restent par ailleurs disponibles autour de l'anneau de stockage pour développer
de nouvelles lignes, adaptées aux enjeux de la recherche en train de voir le jour, notamment dans les domaines de la santé et de
l'environnement.
(*) Ce phénomène existe pour toute particule chargée relativiste (électron, proton, ions se déplaçant à une vitesse très proche de celle de lumière) subissant
une accélération. Notons que pour une même énergie et une même charge électrique, plus la masse est petite, plus la particule rayonne. L'électron est donc
un bon candidat !
De l'accélération des électrons à la production de lumière
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Ligne de lumière
Dipôle
Onduleur Quadrupôle