Livre blanc - CPGE Brizeux

Document Enseignant
Le synchrotron et ses lumières
De l’accélérateur aux applications
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.
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
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
Le magnétisme
rayons X durs) en font un outil privilégié pour explorer la matière, dans les domaines aussi
sciences de la Terre, le patrimoine culturel ou l’archéologie.
• Dipôles et aimants
• A l’échelle atomique
• Les aimants de SOLEIL
Le rayonnement synchrotron est produit par des électrons de très haute énergie qui
Le vide
variés que la biologie, la chimie, la science des matériaux, l’environnement, la physique, les
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
1
19
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
expériences cruciales !
13
• Dans le visible
• Pour les rayons X et l’UV
• Dans l’infrarouge
36
De l’Antiquité à la Renaissance
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.
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
Raphaël : L'école d'Athènes
de l'époque sont Leucippe, Démocrite, Epicure, (440, 400 et 300 avant J.C.). Selon eux, la matière ne (détail)
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.
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.
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.
2
Boussole chinoise du IIe siècle
av. JC - Epoque Han.
(Photo Michel Houdard)
De l’Antiquité à la Renaissance
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.
Observatoire de Taqi al-Din à Istanbul
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.
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.
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.
Saint Thomas d'Aquin,
entouré d'Aristote et de Platon
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).
3
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
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 magnétisme, du vide, de la lumière, de l'optique et des accélérateurs, de 1600 à nos jours : http://www.synchrotron-soleil.fr/
4
De l'accélération des électrons à la production de lumière
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.
Dipôle
Onduleur
Quadrupôle
Ligne 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 !
5
De l'accélération des électrons à la production de lumière
1.1 La course des électrons de 0 à 2,75 GeV
Le Linac (LINear ACcelerator) est un accélérateur linéaire d’une longueur de 16 m. Son rôle est de fabriquer un faisceau d’électrons
pulsés (des bouffées de 300 ns, trois fois par seconde soit une fréquence de 3 Hz) d’énergie de 110 MeV ± 1,5 MeV. Il débute
par un canon à électrons (photo 1 page suivante) dans lequel une petite pièce de métal à base de tungstène, la cathode, est
chauffée. En appliquant une tension électrique de 90 000V (90 keV), les électrons sont arrachés du métal. Un champ électrique
regroupe les électrons, qui sont produits en paquets.
A la sortie du canon, les électrons traversent un groupeur. Dans chacune de ses cavités en cuivre, un champ électrique accélérateur
regroupe le paquet d’électrons en paquets plus courts (8 mm au total) et leur donne de l’énergie. Au début du groupeur, les électrons
sont non relativistes, c’est-à-dire qu’ils ont une vitesse v de l’ordre de c/2. Ils sont trop lents pour être accélérés par une section
accélératrice classique. En revanche, en voyageant sur une onde électromagnétique adaptée, ils sont accélérés jusqu’à atteindre la
vitesse c. A la sortie du groupeur, l’énergie des électrons est de 15 MeV. Ensuite, deux sections accélératrices accélèrent les paquets
d’électrons de 15 à 110 MeV. Dans chaque section, un générateur d’énergie, appelé klystron, injecte une onde électromagnétique de
très haute fréquence (3000 MHz) sur laquelle vont « surfer » les paquets d'électrons. A titre de comparaison, l'ordre de grandeur de
la fréquence de l’onde est de 900 MHz dans les téléphones portables et 2500 MHz dans les fours à micro-ondes.
La ligne de transfert du Linac dans le booster va filtrer les électrons qui ont la bonne énergie pour les injecter dans le booster.
Elle va également modifier les dimensions transverses du faisceau pour assurer une adaptation parfaite à l’entrée du booster. Le
rendement de l’ensemble « Linac + ligne de transfert » est au mieux de 70 %, c’est-à-dire que 70 % des électrons arrachés au canon
sont injectés dans le booster ; les autres se perdent. Un peu comme si l'on remplissait un tuyau avec un arrosoir !
Les électrons entrent dans le booster, synchrotron de 157 m de périmètre. Les paquets font 7 cm. A chaque tour, ils traversent
une cavité accélératrice (photo 2 page suivante), qui les recombine et augmente leur énergie. En 166 ms (moins de 2/10ème de
seconde), ils atteignent l’énergie de fonctionnement choisie pour SOLEIL : 2,75 milliards d’eV (ou 2750 MeV ou encore 2,75 GeV).
C’est pendant la montée en énergie que les caractéristiques du faisceau sont affinées : dimensions des paquets et dispersion en
énergie par exemple.
L’aimantation dans les dipôles du booster varie de 0,027 T (lorsque
Énergie des électrons en MeV
les électrons entrent dans le booster avec une énergie de 110 MeV)
à 0,74 T (lorsque les électrons atteignent l’énergie de 2,75 GeV et
vont quitter le booster).
Pendant la montée en énergie, les électrons sont dans le booster.
Ensuite, lors de la diminution du champ (2ème partie de la courbe),
le booster est vide, les électrons ayant été transférés dans l’anneau.
Temps en ms
Pour passer de 110 à 2750 MeV en 166 ms, les électrons font
environ 300 000 tours dans le booster.
La ligne de transfert du booster dans l’anneau de stockage permet une adaptation du faisceau entre le booster et l’anneau.
D’une longueur de 42 m, elle comporte 3 dipôles et 7 quadrupôles. Le rendement global « extraction du booster, transport dans la
ligne de transfert et injection dans l’anneau » vaut environ 90 %.
Les électrons relativistes sont transférés dans l’anneau de stockage pour y tourner à énergie de 2,75 GeV pendant plusieurs
heures. Les paquets font moins de 10 mm. L'anneau est un tube (une « chambre à vide ») de 354 m de périmètre dont la section
a essentiellement la forme d’un quasi ovale de 7 cm de largeur et 2,5 cm de hauteur, constitué d’une succession de virages où
se trouvent les éléments magnétiques de courbure (les dipôles ou aimants de courbure) et de parties droites où se trouvent les
éléments magnétiques d’insertion (les onduleurs et wigglers) et de réglage du faisceau (les quadrupôles et sextupôles). Avec 42 %
de parties droites, l'anneau offre la possibilité d'insérer de nombreux éléments magnétiques : SOLEIL est aujourd'hui la source de
rayonnement synchrotron la mieux optimisée au monde selon ce critère. Chaque fois que les électrons se déplacent de façon nonrectiligne et/ou non-uniforme (ce qui est le cas dans les dipôles et dans les onduleurs), ils subissent une accélération et perdent de
l’énergie sous forme de rayonnement synchrotron. La perte d’énergie est compensée par deux cryomodules composés chacun de
deux cavités accélératrices (photo 3 page suivante).
Retrouvez les explications dans le film d'animation « Voyage au coeur des accélérateurs de SOLEIL » :
http://www.synchrotron-soleil.fr/Presse/Videos/VoyageAuCoeurAccelerateursSOLEIL
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De l'accélération des électrons à la production de lumière
1. Le rôle du canon à électrons
est de fabriquer des paquets d’électrons
de 90 keV d’énergie.
L’intensité est de 10 à 100 mA.
Pastille en
tungstène
Faisceau d’électrons
Grille en or
Cathode à -90 kV
En fonction de son potentiel, la grille en or
placée en aval de la cathode permet de pulser
le faisceau d’électrons en les bloquant ou en
les laissant passer :
• Potentiel 0 V : les électrons sont émis
• Potentiel –100 V : les électrons restent piégés.
Anode à 0V
2. Cavité accélératrice du booster.
Les électrons sont montés en énergie jusqu'à 2,75 GeV dans une cavité accélératrice
grâce à une onde électromagnétique de fréquence égale à 352 MHz. Cette
cavité radiofréquence est alimentée par une tour d’amplificateurs de puissance
fournissant 35 kW de puissance.
3. L'un des deux cryomodules de l’anneau de stockage.
Les électrons perdent de l’énergie par émission de rayonnement synchrotron
dans les dipôles et les onduleurs. Ces pertes sont compensées à chaque tour
par deux cryomodules. Chaque cryomodule comporte deux cavités accélératrices,
chacune alimentée par 4 tours d’amplificateurs (photo ci-dessous) de puissance de
fréquence égale à 352 MHz ; chaque tour fournit 50 kW.
Tours d’amplificateurs des cavités accélératrices de l’anneau de stockage
(4 tours pour une cavité soit 8 tours pour un cryomodule)
7
De l'accélération des électrons à la production de lumière
1.2 De multiples dispositifs magnétiques guident les paquets d’électrons
tout au long de leur « voyage »
Des dizaines d’éléments magnétiques équipent la machine SOLEIL. Les dipôles ou aimants de courbure (36 dans le booster et
32 dans l’anneau) font tourner les électrons, qui émettent alors du rayonnement électromagnétique. Dans les parties droites
de l’anneau de stockage, les onduleurs impriment aux électrons un mouvement sinusoïdal (ils « zigzaguent ») pour produire un
rayonnement encore plus brillant. Les quadrupôles (44 dans le booster et 160 dans l’anneau) et les sextupôles (28 dans le booster
et 120 dans l’anneau) sont des lentilles magnétiques : les quadrupôles assurent la focalisation du faisceau d'électrons, alors que les
sextupôles corrigent ses aberrations chromatiques et géométriques.
Dipôle
Onduleur
Photo : HU 640 - ligne DESIRS, dans la gamme
d'énergie 5 eV – 50 eV (ultraviolet).
SOLEIL possède d'autres types d'onduleurs :
U20, HU80, HU256...
Longueur : 1,05 m
Champ : 1,71 T pour chaque dipôle
Dans l’anneau, il y a 32 dipôles, soit une rotation
de 11°25’ à chaque dipôle.
Quadrupôle
Sextupôle
Longueur : 0,32 m et 0,46 m
Champ : de 0 T au centre à environ 0,6 T
à 3 cm du centre.
Longueur : 0,20 m environ
Champ : de 0 T au centre à environ 0,25 T
à 3 cm du centre.
Un onduleur est constitué d’une succession d’aimants alternés répartis sur deux rangées juxtaposées, les « mâchoires ». Les paquets
d’électrons passent entre les mâchoires, qui les forcent à suivre une trajectoire ondulée, comme celle d’un skieur qui godille. A
chaque ondulation, les électrons subissent une accélération et émettent de la lumière, une lumière qui se cumule tout au long du
dispositif, ce qui augmente considérablement sa brillance.
1020
Brillance (photons/s/mm2/mrad2/0,1%
)
1019
1018
1017
1016
1015
1014
1eV 10eV100eV1keV. . 10keV
Énergie des photons
Brillance de la lumière synchrotron en fonction de l'énergie des photons, pour
différents éléments magnétiques de l'anneau de SOLEIL (onduleurs U20,
HU80, HU640, HU256 et dipôle). Il existe aussi des wigglers : ils fonctionnent
sur le même principe que les onduleurs, mais fournissent un spectre continu.
La brillance est définie page 10.
L'énergie des photons émis dépend de la période spatiale de l'onduleur (distance
entre les aimants d'une mâchoire) et de l'entrefer (distance entre les deux
mâchoires).
8
De l'accélération des électrons à la production de lumière
1.3 Y a-t-il un pilote dans le synchrotron ?
Un des points névralgiques de SOLEIL est le système informatique de contrôle-commande : il doit faire communiquer ensemble
plusieurs systèmes chargés de piloter des milliers d’équipements, depuis le canon à électrons du Linac jusqu’à la sortie du faisceau
de photons délivré aux expériences.
En salle de contrôle, plusieurs opérateurs pilotent le synchrotron (Linac,
booster, anneau de stockage). Des écrans sont à leur disposition pour
visualiser en temps réel la taille et la position du faisceau, ainsi que
plusieurs milliers d'autres paramètres de la machine.
1.4 La machine SOLEIL peut fonctionner selon quatre modes
Une fois l’anneau de stockage rempli, les électrons restent en orbite pendant des heures. La circulation des électrons s'assimile alors
à un courant continu moyen d’une fraction d’Ampère.
I = n.e/t = n.e.v/
• où I est l'intensité du courant (en A),
• n le nombre d'électrons stockés dans l'anneau,
• e la charge de l'électron (1,6 x 10-19 C),
• v vitesse des électrons (dans ce cas, pratiquement égale à c, vitesse de la lumière dans le vide : 3 x 108 m.s-1),
•
la longueur de l'anneau (354 m).
Dans l'anneau de stockage, les électrons sont groupés en paquets équidistants, leur nombre conditionnant les différents types
d’expériences menées sur les lignes. Le remplissage de l’anneau peut s'effectuer selon 4 modes :
• 4/4
• 8 paquets
• 1 paquet
• hybride
Le mode « 4/4 » procure un courant de 500 mA et fournit un flux maximal de photons aux lignes de lumière. Les électrons sont
uniformément répartis dans 416 paquets.
Le mode 8 paquets procure un courant de 100 mA. Les paquets sont régulièrement répartis sur l'ensemble de l'anneau.
Dans le mode 1 paquet, l'intensité disponible est de 10 mA.
Dans le mode hybride, le plus utilisé, les électrons sont répartis dans 312 paquets sur 3/4 de l'anneau plus 1 paquet isolé dans
le 4ème quart.
Ces trois derniers modes de fonctionnement fournissent moins de photons aux lignes de lumière mais sont très intéressants pour
certaines expériences impliquant une résolution temporelle.
9
La lumière synchrotron
1.5 La lumière synchrotron
Le rayonnement (ou la lumière) synchrotron émis par les électrons comprend toutes les longueurs d'onde depuis l'infrarouge
jusqu'aux rayons X en passant par le visible et l'ultraviolet. On dit souvent que c’est un faisceau blanc.
La lumière est une onde électromagnétique : elle est caractérisée par sa longueur d’onde
en m), sa période T (durée d’une oscillation en s) et sa fréquence
(distance entre deux maxima
(nombre d’oscillations par seconde exprimé en hertz ;
= 1/T). Mais certains phénomènes (absorption, effet photoélectrique, etc.) ne peuvent être convenablement expliqués que si
l'on considère la lumière comme un flot de particules sans masse transportant de l’énergie, les photons. L’énergie d’un photon
E est liée à la longueur d’onde et à la fréquence par la formule E = h.c/
en m.s-1, h la constante de Planck (h = 6,62.10-34 J.s) et
= h. où E est en joule, c la vitesse de la lumière
la longueur d’onde en mètre. La lumière possède à la fois les
propriétés d'une onde et celles d'une particule.
La lumière de SOLEIL va de l’infrarouge (10-4 m) aux rayons X durs (3.10-11 m) soit en énergie de 10-2 eV à 40 keV. Non seulement
le spectre est très large, mais la lumière est continue et accordable sur les 7 décades couvertes. L’utilisateur dispose des
longueurs d'onde permettant la résonance sélective des atomes ou des molécules de son
choix. Il peut sélectionner celle adaptée à l’expérience qu’il conduit. Le gain de temps est
considérable. En outre, le rayonnement synchrotron de SOLEIL est :
•Brillant1. C’est un faisceau intense de photons avec une très faible ouverture
L'émission de lumière obtenue par un
dipôle peut être comparée à la lumière
d'une voiture dans un virage, reçue par un
observateur immobile. Ce dernier voit une
nappe. Les petites longueurs d'onde sont
au centre, les grandes à la périphérie.
angulaire. La lumière peut être concentrée sur de très petits échantillons. De même,
des phénomènes de très faible intensité, qui nécessitent des excitations intenses, sont
désormais détectables.
• Pulsé (pulse typiquement de 15 ps répété toutes les 3 ns), ce qui permet d’enregistrer
des phénomènes dynamiques comme des réactions chimiques ou des déformations de
molécules.
• Stable : stable en position, de l’ordre de quelques μm, ce qui permet de garder la
lumière focalisée sur un petit échantillon. Stable également en intensité, ce qui est
primordial pour la fiabilité des résultats.
• Polarisé, ce qui permet l’étude de la symétrie des molécules, de l’arrangement des
atomes sur les surfaces, de phénomènes magnétiques, etc.
(1) La brillance (en photons/s/mm2/mrad2/0,1%
/ ) est le 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. Le nombre de photons émis par seconde est le flux de photons (photons/s). Pour la majorité
des expériences, la brillance caractérise les qualités d’une source.
10
Les lignes de lumières
1.6 Les lignes de lumière : interfaces entre la machine et les expériences
Le rayonnement synchrotron est extrait dans des « lignes de lumière » raccordées tangentiellement à la chambre à vide dans laquelle
circulent les électrons. L’émission synchrotron est pulsée car les électrons circulent par paquets (quand un paquet est dévié, il émet
de la lumière ; il n'y a pas de lumière entre chaque paquet). Mais, à raison de millions d’éclairs par seconde, on peut considérer
pour beaucoup d’applications que l’émission recueillie à l’extrémité de chaque ligne de lumière est continue.
Les lignes de lumière sont des laboratoires d’une vingtaine de mètres de long en moyenne. Chaque ligne est spécialisée dans un
domaine bien défini. Chercher une protéine dans une cellule par spectroscopie ou microscopie infrarouge, ou déterminer la structure
d’une protéine par diffraction de rayons X, ne s’effectue pas sur les mêmes lignes.
Une ligne de lumière est constituée de trois parties (appelées « cabines » ou « cabanes ») :
•La cabine optique est la première cabine où arrive, d’un dipôle ou d’un onduleur, le faisceau de lumière. Miroirs et monochromateurs
sélectionnent la longueur d’onde nécessaire à l’expérience et focalisent le faisceau. Les dispositifs optiques sont différents suivant les
longueurs d’ondes (Cf. le chapitre 2). Toutes les cabines optiques sont blindées au plomb.
•La cabine d'expérience : L’échantillon à étudier, généralement très petit (< mm), est positionné sur son support. Eclairé par
la lumière incidente, il « répond » de diverses manières. Cette réponse est enregistrée par des détecteurs qui dépendent du type
d’émission : la précision du positionnement de l’échantillon et de la trajectoire du faisceau incident doit être très fine, étant données
les petites dimensions du faisceau comme de l’échantillon. Pour les lignes en rayons X, les cabines d’expérience sont entourées
de murs de plomb afin d’éviter toute émission de faisceau vers l’extérieur. Pour les autres lignes, elles sont soit directement dans
le hall soit entourées de murs standards.
•La station de travail : De cette cabine, chercheurs et ingénieurs assurent de nombreuses tâches. Ils interviennent sur certains
paramètres de l’expérience (position de l’échantillon, focalisation, longueur d’onde, etc.) et suivent l’enregistrement des résultats
via des systèmes électroniques et informatiques. C’est généralement dans cette cabine que se trouve la machine à café…
•Le système électronique et informatique de contrôle de chaque ligne est complexe : il doit permettre en même temps, par
exemple, d’accéder à la valeur du courant stocké dans l’anneau, de fermer les mâchoires d'un onduleur, de lancer une acquisition
de données, puis de récupérer les informations acquises. Un véritable défi pour atteindre un tel niveau d’intégration des
équipements.
Booster
Anneau de stockage
Linac
Canon à électrons
Cabine optique
Cabine d'expérience
Ligne de lumière
Station de travail
Lumière synchrotron
Monochromateur
11
Les lignes de lumières
1.7 Les lignes de lumière : domaine d'énergie et localisation
Les lignes de SOLEIL sont spécialisées par domaine d'énergie, des infrarouges aux rayons X durs.
Longueur d’onde
Energie (eV)
PUMA
12
Les systèmes optiques
2. Guider, sélectionner, focaliser, éclairer : les optiques
Dans une ligne de lumière, les instruments d’optique donnent au faisceau les caractéristiques désirées pour l'expérience.
Ils le dirigent, sélectionnent une longueur d'onde, enfin concentrent le maximum de photons sur l'échantillon. Chaque
ligne étant spécialisée dans un domaine bien défini (spectroscopie infrarouge, spectroscopie UV, diffraction de rayons X,
etc.), SOLEIL considère l'instrumentation comme une priorité et soutient l'innovation, en particulier dans les domaines de
l'instrumentation optique.
Dans l’enseignement secondaire, l’étude de l’optique se limite pratiquement au domaine visible et aux matériaux supposés « parfaits »
(parfaitement transparents pour le verre, parfaitement réfléchissants pour les miroirs…).
Dans un centre de rayonnement synchrotron travaillant sur une large gamme de longueurs d’onde, l’optique est confrontée à une
réalité complexe. De l'infrarouge aux rayons X, la lumière ne peut être ni guidée ni sélectionnée de la même façon dans les différents
domaines. De plus, la qualité indispensable des instruments suppose un usinage et un polissage des surfaces très minutieux car
la taille des défauts, tels que rayures ou ondulations, doit-être inférieure à la longueur d’onde de la lumière utilisée (donc bien
inférieure au micromètre pour les rayons X…).
Dispositifs optiques d’une ligne de lumière en rayons X
1 : fente - 2 : filtre - 3 : monochromateur - 4 : miroir - 5 et 6 : détecteurs
La figure présente une ligne de lumière dans le domaine des rayons X. Elle est longue de plus de 30 mètres. La lumière se propage
à travers une série d’enceintes sous vide pour éviter toute déperdition d’énergie.
On voit que le faisceau entre par une fente qui le délimite pour l’adapter aux optiques de la ligne de lumière. Le filtre absorbe les
radiations de basses énergies, en particulier l’infrarouge et le visible, afin d’éviter un échauffement excessif des optiques situées en
aval. Le monochromateur sélectionne ensuite la longueur d’onde choisie pour l’expérience. Enfin, les miroirs focalisent le faisceau
monochromatique obtenu sur l’échantillon à étudier.
L’expérimentation proprement dite consiste à analyser la réponse de l’échantillon à l’impact du faisceau incident. Cette réponse est
enregistrée par un détecteur adapté au type de signal émis (absorption, émission de fluorescence ou de photoélectrons, diffraction,
etc.).
13
Les systèmes optiques
2.1 Les dispositifs utilisés dans le visible
Les miroirs, souvent associés à des lentilles et à des prismes, équipent beaucoup d’instruments d’optique du domaine
visible : jumelle, télescope, microscope, appareil photographique, etc.
Les miroirs courbes permettent de faire converger un faisceau lumineux, ou
le rendre parallèle. Les miroirs de forme sphérique sont les plus faciles à
fabriquer mais seuls les rayons proches de l’axe optique sont correctement
focalisés. Pour ceux éloignés de l’axe (hors des conditions dites de Gauss),
le défaut d’astigmatisme devient important. Ce défaut n’existe pas pour les
miroirs paraboliques car tous les rayons parallèles à l’axe convergent au
foyer d’une parabole. Une telle propriété est exploitée dans les radars, les
paraboles TV, les fours solaires, etc.
Notons que toutes les longueurs d’onde (les couleurs dans le visible) suivent
la même trajectoire : il n’y a pas de problème de chromatisme avec les
miroirs, contrairement aux lentilles.
Miroir courbe parabolique
Les lentilles réfractives produisent par réfraction la focalisation que les miroirs courbes produisent par réflexion. Quand on
construit un système optique avec des lentilles, deux défauts peuvent s’avérer gênants, celui du chromatisme lié à la variation de
l’indice avec la longueur d’onde et celui de l’astigmatisme lié à la forme des surfaces.
L’indice de réfraction variant avec la longueur d’onde, les différentes couleurs
ne sont pas exactement focalisées à la même distance : c’est le défaut
de chromatisme. Dans les bons appareils, on le corrige en employant un
ensemble de lentilles de matériaux d’indice différent.
Comme dans le cas des miroirs sphériques, seuls les rayons proches de l’axe
optique d’une lentille sphérique convergent au point focal (conditions de
Gauss). Des formes paraboliques ou hyperboliques, moins aisées à obtenir,
permettent de diminuer ce défaut pour les rayons plus éloignés de l’axe
optique.
Les monochromateurs : un monochromateur permet de sélectionner une longueur d'onde. Il fonctionne sur la base d’un système
dispersif comme un prisme, un réseau de diffraction ou un système multicouche. Le prisme a été le premier système optique utilisé
pour réaliser des monochromateurs dans le domaine visible.
Il a été ensuite remplacé par les réseaux : ceux-ci permettent
d’avoir une plus grande dispersion des longueurs d’onde, donc
une meilleure résolution spectrale, tout en étant moins lourds et
moins encombrants.
A partir d’une fente d’entrée (1), un faisceau de lumière blanche
est envoyé sur un collimateur (2), ici un miroir courbe, qui
fournit un faisceau réfléchi parallèle. Le monochromateur (3),
ici un réseau, disperse la lumière blanche. Puis un système
de focalisation (4) fait converger les différents rayons sur une
fente de sortie (5) dont le changement de position permet de
sélectionner une longueur d'onde
.
1
On peut ainsi analyser la lumière arrivant sur la fente d’entrée (c’est
le principe du spectrographe) ou utiliser la lumière sélectionnée
Schéma d’un spectrographe avec son monochromateur à réseau
pour l’envoyer sur un échantillon à étudier.
14
Les systèmes optiques
2.2 Focaliser les UV et les X : les miroirs de Kirkpatrick-Baez
UV : 400 nm > > 100 nm
VUV : vacuum ultraviolet
UV extrême : 100 nm > > 10 nm
RX : 10 nm > > 0,01 nm
RX mous : 10 nm > > 0,1 nm → absorbables
RX durs : 0,1 nm > > 0,01 nm → pénétrants
Tout rayon X qui frappe un miroir pénètre dans le matériau sans être notablement réfléchi… sauf sous une incidence très rasante.
Dans le domaine des rayons X, l’indice de réfraction des
Dans les lignes de lumière synchrotron, les incidences sont
matériaux est inférieur à celui du vide ou de l’air, puisqu’il est
rasantes et les distances focales font plusieurs mètres. Dans ces
inférieur à 1. En passant du vide (ou de l’air) à un matériau
conditions, les rayons de courbure des miroirs sont grands et la
solide comme le silicium, les rayons X se propagent d’un milieu
longueur des miroirs est importante pour collecter une « hauteur »
plus réfringent vers un milieu moins réfringent. Avec un angle
notable de faisceau.
d’incidence approprié, ils peuvent donc être placés dans les
conditions de la réflexion totale.
La longueur des miroirs est supérieure au mètre dans les lignes de lumière X
Réflexion totale en incidence rasante
Comme pour la lumière visible, on peut focaliser des rayons
X avec des miroirs courbes, mais il faut toujours se placer en
Pour focaliser en un point, on utilise souvent des montages dits
de « Kirkpatrick-Baez » (KB) constitués de deux miroirs successifs
dont les courbures sont perpendiculaires.
incidence rasante (l'angle d’incidence par rapport au miroir
Les courbures étant faibles, on part de miroirs plans minces,
est typiquement inférieur au degré). Ici les rayons s’écartent
assez aisés à fabriquer (en « glidcop » par exemple, un alliage
notablement de la normale ; on est donc « hors conditions de
à base de cuivre suffisamment dur, élastique et conducteur de
Gauss » et les miroirs sphériques induisent un fort astigmatisme.
la chaleur).
Ils sont avantageusement remplacés par des miroirs toroïdaux
ou, mieux, elliptiques.
En appliquant des efforts de cintrage à chaque extrémité, des
courbeurs permettent de donner des formes elliptiques à des
miroirs plans ou toriques. On pilote les courbeurs par ordinateur
de façon à ajuster la distance focale.
Réduction du défaut d’astigmatisme
Miroir de Kirkpatrick-Baez (KB)
15
Les systèmes optiques
2.3 Sélectionner une longueur d'onde dans l’UV et les X : les monochromateurs
Les différents types de monochromateur
en fonction de la longueur d’onde
• Les réseaux de diffraction ( ≈ 10 nm)
Pour les UV et les X-UV ( ≈ 10 nm soit 100 eV en énergie), les monochromateurs
sont basés sur les réseaux de diffraction. On les utilise souvent en réflexion, car
le choix de l’angle d’incidence permet de conserver une réflectivité notable dans
l’ultraviolet. Plus on se rapproche du domaine X, plus l’incidence doit devenir
« rasante » pour toujours bénéficier de la réflexion totale.
Mais, pour une longueur de réseau donnée, on perd peu à peu de la hauteur
de faisceau intercepté. Lorsque la lumière devient insuffisante, on utilise d’autres
systèmes optiques : miroirs multicouches, puis cristaux.
Sélection d’une couleur par un réseau
• Les miroirs multicouches ( ≈ 1 nm à 0,1 nm)
Pour les rayons X « mous » ( ≈ 1 nm soit 1 keV en énergie), on utilise, depuis
les années 1980, des « multicouches » ayant les épaisseurs appropriées
(quelques dizaines d’angströms). On a d’abord employé des couches minces
de stéarates naturelles (couches dites de Langmuir-Blodgett) ; aujourd’hui,
on sait réaliser les strates en déposant par évaporation sous vide des couches
de matériaux composées alternativement d’éléments à Z élevés et à Z faibles
(typiquement tungstène/carbone, molybdène/carbone, tungstène/silicium).
Avec ces couches périodiques, on trouve des phénomènes d’interférence.
Comme le rayonnement pénètre plusieurs couches, plusieurs interfaces
participent à l’interférence, ce qui augmente la réflectivité et la sélectivité en
longueur d’onde. Les interférences constructives sont obtenues lorsque les
Miroirs multicouches
ondes réfléchies par les couches arrivent en phase, respectant ce qu'on appelle la « condition de Bragg » : 2.d.sin
= n.
Pour que les ondes réfléchies par la première et la deuxième couche arrivent en phase (Cf. la figure ci-dessus), il faut qu’elles soient
décalées d’un nombre entier de fois la longueur d’onde . Or celle qui est réfléchie par la deuxième couche parcourt une distance
plus importante que l’autre, de 2.d.sin . d est la distance entre deux couches successives,
l'angle entre le rayon incident et la
surface, n l'indice de multiplicité (nombre entier naturel).
On sélectionne donc la longueur d’onde réfléchie en faisant varier l’angle d’incidence .
w INTERFÉRENCES
Si les deux ondes qui se superposent sont en phase, l'onde résultante possède une amplitude importante
égale à la somme des amplitudes. Il y a alors une interférence constructive entre les deux ondes, et on observe
un maximum de lumière. Si les deux ondes qui se superposent sont en opposition de phase, l'onde résultante
possède une amplitude nulle. Il y a alors interférence destructive, et on observe une absence de lumière.
Pour un décalage différent entre les deux ondes, la lumière résultante a une amplitude intermédiaire.
16
Les systèmes optiques
• Les cristaux ( ≈ 0,1 nm)
Pour les rayons X « durs » (
≈ 0,1 nm soit 10 keV en énergie), les
épaisseurs appropriées sont de la taille de quelques diamètres atomiques.
A cette échelle, l’utilisation des multicouches atteint une limite physique.
Il faut passer aux cristaux. Les cristaux sont des empilements de plans
atomiques régulièrement espacés d’une distance de quelques angströms.
Leur rôle est analogue à celui des multicouches, mais de très nombreux
plans atomiques participent à l’interférence des rayons X, étant donné leur
forte pénétration. Chaque cristal est caractérisé par la distance d entre
plans atomiques de sa maille principale (ou distance inter-réticulaire).
Par exemple d est égale à :
• 1,64 Å pour le cristal de silicium 311 (lire trois un un),
Réflexion de Bragg dans un cristal
• 3,14 Å pour le cristal de silicium 111,
• 3,74 Å pour le cristal indium-antimoine (In-Sb),
• 7,97 Å pour le cristal de béryl Be3 Al2 (SiO3)6.
Comme pour les miroirs multicouches, pour un cristal donné, seules seront réfléchies les longueurs d'onde
condition de Bragg :
qui respectent la
= (2.d.sin )/n
On sélectionne donc la longueur d’onde réfléchie en faisant varier l’angle d’incidence .
Contrairement aux multicouches, où les seules interfaces sont parallèles à la surface du support, un cristal contient de nombreuses
« familles » de plans atomiques de directions différentes, utilisables pour la réflexion de Bragg.
Sur les lignes de lumière, source et expériences devant rester fixes, on
emploie souvent un montage à deux cristaux ; un ordinateur permet de
piloter la position angulaire des cristaux pour faire varier la longueur d’onde
sélectionnée en laissant fixe la position du faisceau monochromatique
émergent. De plus, parmi les différentes longueurs d’onde arrivant sur le
premier cristal, seule ressort celle répondant à la réflexion de Bragg sur les
deux cristaux.
Montage à deux cristaux
2.4 Et pour l'infrarouge, un traitement particulier
La lumière infrarouge est un rayonnement électromagnétique de longueur d’onde comprise entre 1 μm et 103 μm. Cette bande
spectrale est elle-même divisée en proche, moyen et lointain infrarouge.
Dans le domaine 1-100 μm, SOLEIL fournit une source infrarouge de haute brillance, environ 1000 fois plus intense que celle d’une
source conventionnelle comme le Globar (baguette de carbure de silicium chauffée électriquement à environ 1500 °C).
Subdivision du domaine infrarouge
17
Les systèmes optiques
La ligne de lumière infrarouge est une combinaison de miroirs plans et courbes, divisée en deux parties bien distinctes :
•Du synchrotron jusqu’à une fenêtre de sortie du faisceau, souvent en diamant d'une épaisseur de l'ordre de 1 mm, l’équipement
est sous ultravide. Cette partie sert à reproduire l’image de la source sur la fenêtre en diamant et à éliminer les rayonnements
très énergétiques, comme les rayons X, par exemple au moyen d’une fente correctement positionnée sur le premier miroir de
collection (en effet, les rayons X sont principalement au centre du faisceau de lumière synchrotron).
•A partir de la fenêtre en diamant, les dispositifs optiques sont soit dans un vide modeste, soit dans l’air. Ils servent à créer un
faisceau parallèle en direction du spectromètre infrarouge.
(A) Le faisceau parallèle entre dans le spectromètre infrarouge.
(B) Il est modulé dans l’interféromètre de Michelson par le balayage d'un miroir mobile.
(C) En sortie d’interféromètre, le faisceau modulé est dirigé vers le compartiment d’analyse. Sur la figure ci-dessus, il s’agit d’un microscope à miroirs de
Schwarzschild.
(D) En traversant l'échantillon, le faisceau subit une absorption sélective. Le signal enregistré sur le détecteur apparaît comme un interférogramme, c'est-à-dire
une signature de l'intensité lumineuse en fonction de la position du miroir mobile de l’interféromètre. Afin d’améliorer la qualité des informations, on effectue
plusieurs déplacements successifs du miroir mobile, et l’ensemble des interférogrammes générés à chaque déplacement est moyenné. L’interférogramme
obtenu est décomposé par transformée de Fourier (opération mathématique effectuée par ordinateur), ce qui permet de retrouver toutes les longueurs
d’onde constitutives et d’obtenir le spectre infrarouge.
w La spectroscopie IR à transformée de Fourier : le monochromateur est remplacé par l’interféromètre.
En spectroscopie infrarouge, on n’emploie pratiquement plus de monochromateur. Le spectromètre dispersif équipé d’un prisme ou
d’un réseau pour séparer les longueurs d’onde est de moins en moins utilisé, du fait d’un temps d’analyse très long (le spectre est
construit point par point), de la résolution limitée par la taille de la fente de sortie et de la faible intensité du signal vu par le détecteur.
Aujourd’hui, on emploie le spectromètre à transformée de Fourier (apparu en 1970) dans lequel le monochromateur est remplacé
par un interféromètre de type Michelson. Les temps d’acquisition sont beaucoup plus courts car toutes les longueurs d’onde sont
mesurées simultanément.
18
Le magnétisme
3. Les champs magnétiques
3.1 Les dipôles, les aimants, les circuits électriques et… la Terre
Un aimant est un objet qui produit un champ magnétique. Ce champ exerce (ou induit) une force
magnétique sur toutes les particules chargées en mouvement (et principalement les électrons dans
la matière). Un aimant a deux pôles où la force magnétique est la plus forte, le pôle nord et le pôle
sud. L’aimant le plus simple est l’aimant droit, souvent appelé « dipôle ». Par convention, le champ sort
du pôle nord, décrit une ligne de champ (en tout point tangente au vecteur) et entre par le pôle sud.
Les lignes de champ ne se croisent jamais ; elles partent et finissent toujours dans la matière aimantée.
Elles sont concentrées là où la force magnétique est forte et sont espacées là où elle est faible.
Les dessins montrent souvent le champ dans un plan (comme ci-contre) ; en réalité, il se trouve dans
l’espace à trois dimensions.
Au XIIIe siècle, Pierre Pèlerin de Maricourt essaya en vain d’isoler un monopôle (un aimant à un seul pôle), en coupant en deux
une tige aimantée, puis en recoupant en deux l’un des morceaux restants : deux pôles différents apparaissaient à chaque fois.
Ce comportement ne sera compris qu’au début du XXe siècle : l’électron lui-même est l’aimant dipolaire ultime !
En électricité, l’objet élémentaire est la charge électrique. En magnétisme, les choses ne sont pas si simples.
N
S
Dipôle magnétique
Champ d’un dipôle magnétique
Il n’existe pas de « charge magnétique élémentaire » : tout ce que l’on peut dire c’est que le phénomène élémentaire est une charge
électrique en mouvement. On va définir le modèle élémentaire du magnétisme, le dipôle magnétique, comme une charge en
mouvement circulaire. On lui associera un pôle nord et un pôle sud, par analogie avec le champ magnétique d’un aimant, et on
calculera son moment magnétique :
I
Champ induit par une bobine
Champ d’un barreau
Champ magnétique
parcourue par un courant
aimanté
de la Terre
MATÉRIALISATION DU CHAMP
MAGNÉTIQUE
Cette forme de champ magnétique, qui est le champ du dipôle, est bien connue.
Figuré au centre, c’est un barreau aimanté. Depuis que Faraday a découvert l’induction
électromagnétique, on sait très bien qu’une bobine est assimilable à un dipôle. La Terre, enfin,
possède ce champ magnétique à cause de la mobilité de son noyau ferreux. Il est assimilable
à celui d’un aimant droit qui serait placé en son centre, et dont le pôle sud serait placé près
du pôle Nord géographique.
19
Le champ magnétique peut être
visualisé facilement à l’aide de
limaille de fer.
Le magnétisme
3.2 A l’échelle atomique : le moment magnétique des atomes
A l’échelle atomique, le mouvement des électrons autour des noyaux et leur spin sont les composantes d’un moment
magnétique atomique qui est rarement nul. Cependant, les liaisons chimiques semblent avoir pour « politique apparente »
d’annuler la somme des moments magnétiques des molécules formées. Mais pas dans tous les cas.
La contribution des électrons au magnétisme est fondamentale : elle explique pratiquement toutes les propriétés magnétiques de la
matière macroscopique. Cette contribution est double car l’électron possède un moment magnétique orbital (la charge en rotation
autour du noyau) et un moment magnétique intrinsèque appelé « spin » (qu’on assimile souvent à la rotation de l’électron sur luimême car, bien que l’image soit fausse, elle est pratique pour représenter cet effet…). Le moment magnétique d’un atome est la
somme des moments magnétiques des électrons qu’il contient.
Lorsque deux électrons sont appariés (lorsqu’ils forment une paire avec des spins
Moment de spin
opposés), leurs moments magnétiques sont de sens opposés et s’annulent. Ainsi,
Moment orbital
lorsque les couches électroniques sont complètes, les moments magnétiques des
électrons se compensent et le moment magnétique résultant est nul.
Les atomes possédant des couches électroniques incomplètes sont porteurs d'un moment magnétique.
•Le magnétisme est une propriété des couches électroniques incomplètes.
Hydrogène
H (Z=1)
1s1
Hélium
He (Z=2)
1s2
Lithium
Li (Z=3)
1s2 2s1
Béryllium
Be (Z=4)
1s2 2s2
Configuration électronique des 4 premiers éléments du tableau de Mendeleïev.
On voit que l’hydrogène et le lithium, qui ont une sous-couche incomplète, sont des atomes magnétiques.
L’hélium et le béryllium, qui ont une sous-couche complète, sont des atomes non magnétiques.
A l’état d’atome individuel, une majorité d’éléments (79 sur 103 dans le tableau de Mendeleïev) sont porteurs d’un moment
magnétique. Mais lorsque les atomes font partie d’un composé chimique, leurs liaisons correspondent à la mise en commun
d’électrons : les électrons s’apparient en paires de spins opposés, les couches électroniques se complètent, et seul un petit
nombre d’éléments restent porteurs d’un moment magnétique permanent.
•Certains atomes ont un remplissage particulier des couches électroniques
Certains éléments possèdent, à l’état atomique, des électrons non appariés dans une couche interne « protégée » par une couche
externe saturée. C’est le cas du groupe du fer où la couche externe 4s est complète et fait écran à la couche 3d incomplète.
Configuration électronique du fer (Z=26)
C’est également le cas de la série des terres rares où la couche externe 6s est complète et fait écran à la couche 4f incomplète.
Les couches 3d et 4f restent incomplètes, même lorsque les éléments font partie d’un solide (un barreau de fer par exemple).
Ces couches conservent donc un magnétisme notable.
20
Le magnétisme
On distingue cinq classes de matériaux en fonction de leur comportement magnétique : diamagnétique, paramagnétique,
ferromagnétique, antiferromagnétique, ferrimagnétique.
Magnétisme des éléments purs à l’état solide.
Les cases rouges représentent les éléments dont
l’aimantation peut être importante.
Les cases jaunes et vertes représentent les
éléments qui n’ont pas de moment magnétique
à l’état solide.
Dans les cases à double couleur, le magnétisme
dépend de la température et/ou de la pression.
(Réf. 1 ; tiré du volume 1 page 95, avec des
adaptations)
Le tableau suivant présente de façon visuelle et simplifiée la disposition des moments magnétiques dans les différentes classes de
matériau à l’état solide.
Les atomes n'ont pas de moment
magnétique. Dans un champ :
aimantation très faible et de sens
opposé (le matériau est repoussé),
qui disparaît quand le champ cesse.
Magnésium,
potassium, sodium,
aluminium,
molybdène, platine,
etc.
Fer, cobalt, nickel et
série des terres rares
(gadolinium, terbium,
dysprosium, etc.).
Les atomes ont des moments
magnétiques parallèles et alignés
par domaine (résultante nulle)1.
Dans un champ magnétique :
aimantation forte et de même sens,
qui persiste quand le champ cesse.
Les atomes ont des moments
magnétiques antiparallèles et égaux
(résultante nulle)2. Dans un champ
magnétique : aimantation faible et de
même sens, qui disparaît quand le
champ cesse.
Les atomes ont des moments
magnétiques antiparallèles et
inégaux par domaine (résultante
nulle)1,2. Dans un champ magnétique :
aimantation forte et de même sens,
qui persiste quand le champ cesse.
très grand champ
Cuivre, zinc, plomb,
argent, or, verre,
plastique, caoutchouc,
bois, etc.
Chrome, manganèse
très grand champ
quel que soit le champ
En résumé...
champ fort
Matériau
champ faible à moyen
Résultante
antiferromagnét.
Dans un champ
magnétique
ferrimagnétique
ferromagnétique
paramagnétique
diamagnétique
Hors d'un champ
magnétique
Ferrites: exemple la
magnétite ou pierre
d’aimant (Fe3O4).
Les atomes ont des moments
magnétiques orientés dans tous
les sens (résultante nulle). Dans un
champ magnétique : aimantation faible
et de même sens, qui disparaît quand
le champ cesse.
(1) Dans ces domaines, appelés domaines de Weiss, de l'ordre du dixième de millimètre, les moments magnétiques atomiques sont alignés.
(2) Ces caractéristiques sont valables en dessous d’une certaine température (de Néel pour les matériaux antiferromagnétiques et de Curie pour les matériaux
ferrimagnétiques). Au-dessus de ces températures, ces matériaux deviennent paramagnétiques.
21
Le magnétisme
3.3 Le magnétisme à SOLEIL ; guidage et focalisation des électrons dans le synchrotron
Le principe de guidage et de focalisation du faisceau d'électrons (et plus généralement d'un faisceau de particules chargées) repose
sur une force F appelée « force de Lorentz ». L'électron de charge q animé d’une vitesse v, dans un champ électrique E et un champ
d’induction magnétique B, est soumis à la force de Lorentz F :
est la composante électrique et
est la composante magnétique.
Le synchrotron (Linac, booster et anneau de stockage) possède trois familles d’aimants qui vont jouer sur cette composante
magnétique : les dipôles donnent la courbure, les quadrupôles assurent la focalisation horizontale et verticale, et les sextupôles
compensent l’effet de chromaticité.
Champ magnétique du dipôle, du quadrupôle et du sextupôle
• Les dipôles
Les dipôles (ou aimants de courbure) sont constitués
de deux bobines parcourues par un courant électrique.
Ils appliquent un champ magnétique permanent qui
courbe la trajectoire des électrons. La force magnétique
F est normale à v et B. Pour déterminer sa direction, on
peut utiliser le bonhomme d'Ampère : quand le courant
le traverse des pieds vers la tête et qu'il regarde dans la
direction de l'induction magnétique B, la force est dirigée
vers sa gauche. Dans l'anneau de stockage de SOLEIL,
chaque dipôle fait tourner les électrons de 11°25’, grâce à
un champ magnétique de 1,71 tesla. Avec 32 dipôles, la
trajectoire des électrons est bouclée.
• Les quadrupôles
Un quadrupôle ramène les électrons sur l’orbite moyenne.
Mais il est focalisant dans un plan et défocalisant dans
l’autre. Pour focaliser dans les deux directions, les polarités
des quadrupôles sont alternées. L'effet est identique à
celui de lentilles optiques successivement convergentes
et divergentes.
Focalisant en X, défocalisant en Z
Focalisant en Z, défocalisant en X
• Les sextupôles
Les sextupôles ont pour but de compenser l’effet de chromaticité (en optique classique, on parle d’aberration chromatique due
à des points de focalisation différents pour des longueurs d’ondes différentes). Les sextupôles viennent en complément de la
focalisation des quadrupôles afin de la rendre indépendante de l’énergie des électrons.
22
L’ultravide
4. L’ultravide
La lumière synchrotron est émise par des électrons relativistes qui circulent dans la chambre à vide de l’anneau de
stockage de SOLEIL. Pour produire une lumière performante, le faisceau d’électrons doit garder une grande stabilité
tant d’un point de vue de sa trajectoire que de son intensité. Pour ce faire, une des conditions nécessaires est d’éviter
les chocs avec des molécules de gaz résiduel. C’est pourquoi il est indispensable de réaliser un vide de haute qualité.
Le vide est un espace dans lequel les molécules sont fortement raréfiées. Il n’a pas de mesure propre : c’est celle de la pression
du gaz résiduel. Même avec les meilleures techniques de pompage, on ne peut atteindre qu’un vide partiel, quelle que soit la
température. La qualité du vide est déterminée à la fois par la pression et par la composition en espèces gazeuses du gaz résiduel.
La pression est exprimée en pascal (Pa), ou plus souvent dans le milieu industriel en bar ou en torr (mm de mercure).
1 bar = 105 Pa (ou 1 mbar = 1 hPa) ; 1 torr = 1mm de mercure = 133,3 Pa.
A SOLEIL, les différents systèmes de vide permettent d’atteindre des pressions de 10 hPa
-8
dans le Linac et le booster, 10-10 hPa dans l’anneau lorsqu’il n’y a pas de faisceau et environ
10-9 hPa en présence de faisceau d’électrons.
On distingue deux types d’interactions entre les électrons du
faisceau et les molécules de gaz
résiduel.
INTERACTIONS
ELASTIQUES :
4.1 Gaz résiduel et durée de vie du faisceau d'électrons
La durée de vie du faisceau d'électrons est le temps au bout duquel l’intensité du faisceau a
été divisée par e = 2,7 (le « e » de l’exponentielle). C'est un paramètre crucial de la qualité
de fonctionnement d'un synchrotron. Cette durée de vie dépend de nombreux facteurs :
•la configuration du synchrotron (type et nombre d'onduleurs, tension de la cavité radio fréquence, etc.),
• le mode de remplissage (416 ou 8 paquets à SOLEIL),
• l’énergie des électrons (2,75 GeV à SOLEIL),
La trajectoire de l’électron peut être
déviée lorsqu'il passe à proximité
d’une molécule. Il vient ensuite
heurter la paroi de la chambre à
vide et se perdre. La déviation est
due aux interactions coulombiennes
(électrostatiques) avec les protons
ou les électrons de la molécule.
• la masse atomique du gaz résiduel et sa pression.
Pour un synchrotron donné, la durée de vie des électrons diminue quand la masse atomique
du gaz résiduel et sa pression augmentent : les électrons du faisceau finissent par se perdre
INTERACTIONS
INELASTIQUES :
en interagissant avec les molécules restantes dans les chambres à vide. Il est donc important
de maîtriser la composition du gaz résiduel et d'abaisser sa pression jusqu'à l'ultravide.
• La composition du gaz résiduel
Pour fonctionner sous ultravide, les chambres subissent divers traitements au cours de
leur fabrication afin d’éliminer toute trace de composés organiques et autres composés
contaminants (voir page suivante). Après ces traitements, le
gaz résiduel est composé à 80 % d’hydrogène provenant
de la vapeur d’eau réduite et contenu au sein même du
matériau constituant la chambre à vide (acier inoxydable).
Pour le reste, il s’agit essentiellement de monoxyde de
carbone (10 %), de dioxyde de carbone et de méthane.
Dans l'anneau de SOLEIL, les électrons ont une durée de vie
d’environ 18 heures.
23
Suite à un choc avec un proton
ou un électron d’une molécule, un
électron peut perdre trop d’énergie
pour être ensuite ré-accéléré par la
cavité radiofréquence de l’anneau.
Il est alors incapable de prendre
correctement le virage dans un
dipôle dont le champ magnétique
a été calculé pour des électrons de
2,75 GeV. Il se perd lui-aussi sur les
parois de la chambre.
L’ultravide
4.2 Le système de pompage
Un seul type de pompe ne suffit pas à passer de la pression atmosphérique à l’ultravide (10-10 hPa). L’opération se fait en
plusieurs étapes en combinant plusieurs modèles : les pompes à évacuation évacuent les molécules de gaz contenues dans
le volume du réservoir (c’est le pompage en volume). Les pompes à fixation fixent aux parois de la pompe les molécules
émises par les surfaces internes du réservoir (c’est le pompage en surface).
Si l’on extrait continuellement le gaz d’un réservoir, la pression devrait tendre vers zéro. On
constate qu’il n’en est rien. Après une descente rapide, la pression n’évolue plus que très
lentement : les molécules « indésirables » viennent alimenter le réservoir. Elles proviennent
des micropores de la paroi du réservoir, des petites cavités d’origine mécanique (comme
les vis et les écrous) et de la désorption (elles se détachent de la surface de la paroi).
• La pompe Roots et la pompe turbomoléculaire sont des
pompes à évacuation. La pompe Roots utilise deux rotors au
profil en forme de 8. Pendant la rotation, les molécules du gaz
sont isolées entre les lobes des rotors, puis poussées du côté du
refoulement. La pompe turbomoléculaire (figure de droite) communique un mouvement aux molécules
d’air résiduelles pour les entraîner vers l’évacuation. Elle est dotée d’une turbine comportant plusieurs
centaines d’ailettes coudées en ^ et tournant à grande vitesse (de 20 000 à plus de 70 000 t/mn).
Les ailettes viennent frapper les molécules de gaz et les projettent dans une direction préférentielle.
Elles sont alors emprisonnées et évacuées vers les étages inférieurs.
•La pompe ionique et la pompe à sublimation sont
des pompes à fixation.
•La pompe ionique fixe les gaz sur les parois actives
par chimisorption. Typiquement, elle est constituée
d’une anode multicellulaire formée d’une série de
petits cylindres creux en acier inoxydable, entourée
de deux plaques de titane constituant la cathode.
LA POMPE IONIQUE
Une tension de quelques kilovolts provoque
une décharge d’électrons entre cathode et
anode. Le trajet des électrons est augmenté
par la présence d’un champ magnétique
(dû à l’aimant jaune). Sur leur passage, les
électrons heurtent les molécules de gaz et
les ionisent. Les ions positifs ainsi formés
sont attirés par la cathode et se fixent sur
elle (comme « enfouis » sous les atomes de
w L’ADSORPTION (à ne pas confondre avec l’absorption)
est un phénomène de surface par lequel les molécules
de gaz se fixent sur les surfaces solides par divers
processus : l’adsorption physique ou physisorption met
en jeu des liaisons faibles, du type forces de van der
Waals. L’adsorption chimique ou chimisorption met en
jeu les liaisons chimiques, qui sont plus fortes.
titane). Sous l’impact de ces ions, du
titane est également arraché et vient se
déposer par pulvérisation sur les autres
parois de la pompe, piégeant d’autres
molécules de gaz et augmentant l’effet
du pompage.
•La pompe à sublimation de titane (exemple de pompe getter) fixe également les gaz sur
les parois actives par chimisorption. Elle est constituée d’un cylindre creux muni en son centre
d’un filament de titane. On chauffe le filament, le titane se sublime et se dépose sur la paroi interne
du cylindre. Les molécules de gaz à pomper réagissent avec le titane pour former des composés
chimiques stables tels que des nitrures, hydrures ou oxydes. Ce mécanisme de chimisorption
n’est utilisable que pour des molécules chimiquement actives avec le titane. Les gaz rares comme
l’hélium sont mal adsorbés sur le titane.
w LA SUBLIMATION est le passage d’un corps (ici le titane) de l’état solide à l’état gazeux, sans passer
par l’état liquide. Cette transformation se fait donc sans passer par une étape de fusion (de solide en
liquide), ni par une étape de vaporisation (de liquide en gaz).
24
L’ultravide
4.3 Plus de vide
L’ultravide requiert une grande propreté des surfaces intérieures des chambres à vide afin de limiter le dégazage.
C’est pourquoi les chambres à vide de SOLEIL subissent deux traitements particuliers : l’étuvage et le dépôt NEG.
• L’étuvage
L’étuvage intervient pendant la mise sous vide des chambres par les pompes Roots et turbomoléculaires. Lorsque la pression
est à 10-6 hPa, on lance l’étuvage des chambres : celles-ci sont chauffées pour expulser la vapeur d’eau et les traces d’éventuels
contaminants adsorbés sur les surfaces. Leur température monte jusqu’à 180°C environ (120°C pour les dipôles), à raison de
30°C par heure. Après 3 ou 4 jours, une semaine maximum, la pression atteint 10-7 hPa. L’étuvage est arrêté en même temps que
les pompes Roots et les pompes turbomoléculaires. Les pompes à fixation prennent alors le relais.
• Le dépôt NEG (Revêtement de surface absorbant non-évaporable)
Les synchrotrons possèdent une caractéristique particulière : en fonctionnement, les parois des chambres à vide sont bombardées
par les photons du rayonnement synchrotron. Il en résulte l'expulsion de molécules telles que CO ou CO2 et une remontée de
pression. Afin de la limiter, on dépose sur les parois internes des chambres à vide rectilignes une fine couche de matériau NEG.
Le NEG (Non Evaporable Getter) est un alliage de Zirconium, de Vanadium et de Titane déposé par pulvérisation cathodique. Il a
la particularité, lorsqu’on le chauffe à haute température (> 150°C), de décomposer les espèces gazeuses fixées sur sa surface
et de faire diffuser les atomes vers l’intérieur de la couche. On obtient ainsi une surface quasi métallique constituant une pompe
à sorption. Il permet d’adsorber les molécules résiduelles et de conserver un excellent vide, notamment dans les zones où un
pompage classique devient difficile (onduleurs par exemple). Sur l’anneau de stockage de SOLEIL, 122 chambres à vide ont reçu
un dépôt NEG d’une épaisseur de 0,5 à 1,5 µm sur une longueur totale de 200 m, soit 56 % de l’anneau.
Une section de l'anneau de SOLEIL.
En jaune, les chambres à vide en aluminium avec le dépôt NEG. SOLEIL est la première machine à utiliser
cette technique sur 56% de l'anneau
4.4 Du vide de l’anneau aux expériences
La lumière synchrotron émise par les dipôles et les onduleurs de SOLEIL est exploitée dans les lignes de lumière où se déroulent
les expériences. Certaines se font dans le vide, mais d’autres peuvent avoir lieu à des pressions différentes ou même à l’air libre.
Dans ces deux dernier cas, il faut disposer de matériaux qui permettent de laisser passer la lumière sélectionnée tout en séparant
le vide de l’anneau du milieu dans lequel se fait l’expérience.
C’est ainsi que la ligne PROXIMA 1, qui étudie des matériaux biologiques par diffraction de rayons X à pression atmosphérique, dispose
d’une « fenêtre » en kapton (polymère organique) juste avant l’échantillon. Le béryllium, métal transparent aux rayons X mais opaque pour
les autres rayonnements, est utilisé sur ODE, SAMBA, MARS et DIFFABS.
Les lignes infrarouges SMIS et AILES disposent de fenêtres en diamant qui éliminent les rayonnements très énergétiques comme
les rayons X tout en laissant passer les infrarouges.
Pour les autres, nul besoin de fenêtre. TEMPO et CASSIOPEE par exemple effectuent leurs expériences dans un vide proche de celui
de l’anneau ; les échantillons sont alors placés dans des enceintes dans lesquelles le vide est réalisé avant de les connecter au reste
de la ligne. Pour d’autres, telle DESIRS, un système de pompage permet d’obtenir un gradient de pression (diminution progressive
de la pression au long de la ligne) jusqu’à la pression souhaitée.
25
Les méthodes d’investigation des échantillons
5. Quand la lumière rencontre la matière :
les méthodes d'investigation
Au bout des lignes de lumière, sont montés les échantillons à étudier, qui servent de cible. L'étude des échantillons repose
sur les méthodes classiques de l’interaction lumière-matière : absorption, fluorescence, diffusion élastique (en particulier
diffraction des rayons X), photoémission. Elles permettent de déterminer la structure des échantillons, d’identifier leurs
éléments, de les localiser dans l’espace, et même d’obtenir des informations chimiques (degré d’oxydation, coordinence,
etc.). On fait également de la microscopie.
Chaque ligne peut proposer une ou plusieurs techniques d'analyse pour des domaines aussi variés que la chimie, la physique, les
matériaux, la biologie, la médecine, l'environnement, l'astrophysique, le patrimoine.
Absorption X
DIFFABS
GALAXIES
LUCIA
MARS
NANOSCOPIUM
ODE
ROCK
SAMBA
Spectro
Spectro UV-
Spectro
Microscopie
Fluorescence
X-mous
VUV
IR
Imagerie
UV et X
AILES
SMIS
ANTARES
DIFFABS
DISCO
HERMES
LUCIA
NANOSCOPIUM
PUMA
SMIS
SEXTANTS
DIFFABS
DISCO
LUCIA
MARS
NANOSCOPIUM
PUMA
SIRIUS
ANTARES
CASSIOPEE
DEIMOS
PLEIADES
SEXTANTS
TEMPO
DESIRS
DISCO
PLEIADES
Diffraction
CRISTAL
DIFFABS
MARS
METROLOGIE
PSICHE
PROXIMA 1
PROXIMA 2
SEXTANTS
SIRIUS
SIXS
Diffusion
Diffusion aux
Photo-
Tomo-
inélastique
petits angles
émission
graphie
GALAXIES
MARS
METROLOGIE
SEXTANTS
SIRIUS
SIXS
SWING
ANTARES
CASSIOPEE
GALAXIES
HERMES
PLEIADES
TEMPO
GALAXIES
LUCIA
SEXTANTS
ANATOMIX
PSICHE
PUMA
Lignes de lumière et techniques d'analyse
5.1 La spectroscopie d'absorption
Généralement, lorsque la lumière arrive sur un échantillon, une partie est réfléchie, une autre est absorbée et le reste est transmis.
L’absorption de la lumière dépend de son énergie, plusieurs mécanismes pouvant intervenir au niveau atomique ou moléculaire : la
lumière visible et les ultraviolets excitent les électrons des atomes.
L’énergie des ultraviolets durs et des rayons X est suffisante pour
ioniser les atomes (l'ionisation consiste à arracher un électron à
son atome ; on parle alors de photoélectron éjecté, que l’on peut
étudier). Le rayonnement infrarouge provoque la vibration et la
rotation des groupements de molécules (les rotations n’existent
que dans le cas de composés à l’état gazeux). Il n’y a absorption
que lorsque l’énergie du photon incident coïncide avec l’énergie
d’excitation de l’atome ou de la molécule. Chaque molécule
possède ses propres niveaux d’énergie ; par exemple, l’énergie
d’ionisation de l’atome d’hydrogène est de 13,6 eV.
Les différents mécanismes d’absorption en
fonction de l’énergie du photon incident.
w NIVEAUX D’ÉNERGIE DANS L’ATOME.
Pour expliquer les spectres lumineux émis par les atomes, le danois Niels Bohr proposa en 1913 un modèle dans lequel les électrons
occupent des orbites bien définies autour du noyau. Chaque orbite est associée à une énergie précise. Lorsqu’un électron passe d’une
orbite à une autre plus éloignée, il absorbe de la lumière ; il en émet en effectuant le passage inverse. Le niveau de plus basse énergie
est noté K, celui du dessus L, le suivant M…
Cette vision a ensuite évolué. Aujourd'hui, on considère que les électrons occupent toujours des niveaux d’énergie bien définis, mais
ne se déplacent pas sur des trajectoires précises. L’électron n’est plus localisé, mais on peut représenter la région de l’espace, autour
du noyau, où cet électron a une forte probabilité (99 %) de se trouver : c’est l’orbitale atomique.
26
Les méthodes d’investigation des échantillons
Tout comme les atomes, les molécules possèdent des niveaux d’énergie. Mais, comme une
molécule est constituée de plusieurs atomes, les liaisons entre eux peuvent vibrer et les molécules
Énergie
tourner. Aux niveaux d’énergie électroniques, s’ajoutent donc des niveaux d’énergie vibrationnels des
différentes liaisons et des niveaux d’énergie rotationnels.
L’absorption ou l’émission de photons correspond aux transitions entre les niveaux d’énergie
électronique pour les photons du visible et de l’ultraviolet, entre les niveaux vibrationnels pour les
E e2
photons de l’infrarouge et entre les niveaux rotationnels pour les photons de l’infrarouge lointain ou
des térahertz.
E v3
}
Ee : niveau d’énergie électronique
Ev : niveau d’énergie vibrationnel
ER : niveau d’énergie rotationnel
O
O
Elongation asymétrique
3756 cm-1
H
H
H
O
Elongation symétrique
3752 cm-1
H
H
E v2
ER
E v1
E e1
Déformation
1595 cm-1
H
Exemple de vibrations de la molécule d’eau
• La spectroscopie d’absorption IR : toutes les informations sur les liaisons moléculaires
Dans les molécules, les liaisons entre les atomes vibrent à des fréquences qui dépendent de ces atomes, de leur environnement
(autres atomes proches) et de la multiplicité de la liaison (simple, double ou triple). Pour certaines fréquences particulières de la
lumière incidente, ces liaisons entrent en résonance : l'énergie apportée est alors transférée à la matière et on observe une atténuation
de l’intensité de la lumière transmise. De nombreuses liaisons
possèdent leur fréquence de résonance dans le domaine
infrarouge, de 2 µm à 100 µm.
Si on représente sur un graphe l'évolution de la transmission en
fonction du nombre d'onde(*), on observe des pics d’absorption
de la fréquence de résonance caractéristiques des liaisons
entre atomes.
La vibration d’une liaison entre atomes peut se comparer au mouvement
d’un ressort qui relierait deux boules
La spectroscopie IR est une technique performante pour
identifier clairement des groupements tels que C=O, C-O, O-H,
C-N, N-H, etc. (et ce dans différents environnements), ainsi que
pour doser leur concentration. Elle est non destructive et sa
sensibilité lui permet d’analyser d’infimes quantités de matière
(actuellement le pg = 10-12 g).
* Le nombre d’onde utilisé en IR vient des chimistes ; il facilite la lecture des
spectres. Il a été utilisé pour la première fois par les chimistes anglais, pendant
la deuxième guerre mondiale, dans l’analyse des gaz utilisés par les Allemands.
Nombre d’onde = 1/ (l'unité courante est le cm-1). C’est une grandeur
proportionnelle à l’énergie.
( )
Dans le spectre de l'éthanol (C2H5OH) dans le domaine infrarouge, on peut
observer la présence des liaisons C-O à ~1000 cm-1 et O-H à ~3000 cm-1
27
Les méthodes d’investigation des échantillons
• La spectroscopie d’absorption X : les atomes, leur structure et leur environnement proche
Dans la gamme des rayons X, une partie du faisceau incident peut traverser l’échantillon sans modification, le reste étant absorbé
(EXAFS, XANES) ou réémis selon différents phénomènes comme la fluorescence.
La ligne SAMBA travaille en absorption. Les détecteurs mesurent l’intensité des photons avant (I0) et après l’échantillon (I)
Absorbance
L'absorption d'un photon X produit une ionisation de l’atome, donc une lacune électronique.
XANES
C'est, par exemple, un trou dans la couche K, la plus proche du noyau, qui
EXAFS
est comblé par un électron de la couche L, immédiatement supérieure,
avec émission d’un rayonnement X d’énergie caractéristique de l’atome
ionisé. Les raies K sont utilisées pour identifier et doser les éléments
légers à moyens (à partir de l’aluminium). Les raies L sont utilisées pour
seuil
les éléments moyens à lourds. Les raies M sont peu utilisées car trop
difficiles à traiter.
pré-pic
Le spectre d'absorption des rayons X présente un « seuil d’ionisation » qui
se situe à une énergie dépendant en premier lieu du numéro atomique
Z de l’atome absorbeur. La spectroscopie d’absorption X est donc d’une
5900
6100
6300
6500
6700 (eV)
Spectre d’absorption X : exemple du seuil K du chrome.
Absorbance = ln (I0/I) avec I0 l'intensité incidente
et I l'intensité transmise.
grande sélectivité puisqu’elle donne une analyse en Z de la matière.
Autour du seuil, le spectre d’absorption des rayons X présente trois
régions caractéristiques, que nous allons décrire sur l’exemple du spectre
du chrome (figure ci-contre) :
•Le pré-pic correspond à une région du spectre où l'énergie des rayons X incidents n’est pas suffisante pour arracher un électron
de la couche K du chrome. Il donne des indications sur la structure électronique de l’élément et sur la structure à courte distance.
Par exemple le chrome III de structure octaédrique ne présente pas de pré-pic contrairement au chrome VI de structure
tétraédrique.
•Le XANES (X ray Absorption Near Edge Structure) est une région allant jusqu'à ~50 eV après le seuil, où les variations de la courbe
proviennent de transitions entre orbitales au sein de l’atome absorbeur. Il nous renseigne sur l’environnement à courte et
moyenne distance autour de l’atome (jusqu’à 0,8 nm) et sur la configuration électronique de l’élément qui dépend des atomes
voisins.
•L’EXAFS (Extended X ray Absorption Fine Structure) est une région de quelques centaines d’eV au dessus du seuil, où la courbe
montre de faibles oscillations qui se superposent à la décroissance rapide. Ces oscillations sont dues à des interférences : l’onde
associée aux électrons éjectés de l’atome absorbeur est « rétro diffusée » (comme un écho) par les atomes voisins et interfère
avec l’onde incidente. L'EXAFS fournit des informations sur la nature des premiers atomes voisins, les distances inter-atomiques
(avec une bonne précision : 0,01 nm), l’identification chimique, la coordination et également le degré de désordre structural du
matériau.
Toutes ces informations sont difficilement accessibles par d’autres techniques si l’on ne dispose pas d’un cristal. Elles s’appliquent
quelle que soit la nature du matériau, cristallisé ou amorphe, solide, liquide ou gazeux. De plus, associées à la polarisation linéaire
ou circulaire du rayonnement synchrotron, elles permettent d’accéder aux propriétés magnétiques des matériaux.
28
Les méthodes d’investigation des échantillons
5.2 La spectroscopie par fluorescence (étude des traces)
Energie
est la propriété d'absorber de l'énergie lumineuse (lumière
d'excitation) et de la restituer généralement très rapidement
Absorption
Energie
La fluorescence d’une molécule (fluorophore ou fluorochrome)
Fluorescence UV
(moins d’une nanoseconde plus tard) aussi sous forme de
lumière (lumière d'émission). La lumière d'excitation doit être
assez énergétique : le phénomène existe à partir du visible,
mais il est surtout utilisé avec des UV et des rayons X (comme
à SOLEIL). Les photons émis sont toujours d’énergie plus faible
que celle des photons incidents (c’est-à-dire de plus grande
longueur d’onde). Cette émission est liée à des processus de réarrangement des électrons dans le cortège électronique des atomes ou
des liaisons chimiques. Les longueurs d’onde restituées sont caractéristiques des atomes ou des liaisons chimiques considérés.
5.3 L'imagerie
Elle peut se faire par l'intermédiaire de techniques telles que l'absorption (IR, UV
ou X) ou encore la fluorescence. Il s'agit alors d'étudier point par point l'échantillon
et de déterminer, par les techniques précédemment citées, la présence et la quantité
d'une espèce chimique (molécule, atome, ion) ou même la présence d'une liaison et
Image de la répartition
des lipides dans une
coupe de cheveu humain.
On remarque que les
lipides sont à la surface
du cheveu.
d'en faire la cartographie.
5.4 La photoémission
Cette technique repose sur l'effet photoélectrique. Une lumière incidente (UV ou rayons X) « ionise » les atomes de l'échantillon : les
photons éjectent hors des atomes des électrons appelés photoélectrons. Un spectromètre mesure alors le nombre d'électrons émis
en fonction de leur énergie cinétique (égale à l'énergie des photons incidents moins l'énergie de liaison des électrons éjectés). Les
spectres de raies obtenus contiennent les signatures de chaque espèce chimique présente dans le matériau. On peut ainsi identifier
les atomes présents dans l'échantillon et réaliser une analyse chimique.
5.5 Diffusion et Diffraction élastique : structure spatiale des molécules et cristaux
Après interaction avec la matière, certains photons X sont émis sans changement d’énergie
dans plusieurs directions de l’espace. Les directions dépendent de la structure atomique
Le cliché 51
du matériau et de son orientation par rapport au faisceau incident. C’est un phénomène
d’interaction dit élastique entre les électrons du matériau et les photons X. En présence d’un
matériau non ordonné (liquide, solide, amorphe), on parle de « diffusion » et l’on observe
des anneaux plus ou moins structurés dont les diamètres indiquent la taille des structures
atomiques. Lorsque le matériau est ordonné à l’échelle atomique (ordre cristallin), il apparaît
alors, pour certaines directions, des interférences constructives entre les faisceaux diffusés
par les motifs cristallins ; on observe des taches et le phénomène s’appelle dans ce cas
« diffraction ».
Les informations sont obtenues en prenant en compte les intensités relatives
des différentes taches, la symétrie de la
figure formée par l’ensemble des taches
et la distance entre les taches. C’est une
technique privilégiée d’analyse structurale
de la matière.
En 1951, la biologiste anglaise Rosalind
Franklin améliore les techniques de diffraction des rayons X sur les matériaux
biologiques. Ses remarquables clichés
révèlent la structure en double hélice
de l'ADN. Elle sera la grande oubliée
de cette découverte fondamentale,
pour laquelle Wilkins, Watson et Crick
reçoivent le prix Nobel en 1962.
Image de diffraction d'une protéine
A noter qu’il existe aussi des techniques basées sur la diffusion Compton (inélastique ou incohérente, c’est-à-dire avec changement
très faible de l’énergie), utilisées essentiellement pour les éléments légers.
29
Les applications
6. Des applications dans de multiples domaines
Difficile de faire un choix parmi toutes les applications ! Celles présentées dans les pages suivantes (il y en a neuf) veulent
exprimer la diversité des disciplines et des techniques d'analyse.
6.1 Cirrhose et cancer du foie - Microscopie d’absorption IR (ligne SMIS)
Si l’on éclaire successivement un échantillon de tissu biologique avec différentes longueurs d’onde de lumière infrarouge, chacun
des groupements de molécules qui constituent le tissu (protéines, lipides…) va entrer en résonance spécifiquement avec une des
longueurs d’onde incidentes, qui est alors absorbée. L’enregistrement des pertes d’intensité pour les différentes longueurs d’onde
constitue un spectre : un ensemble de pics correspondant à toutes les vibrations, les « signatures », des différents composants du tissu.
Coupe de tissu de foie - © Inserm / F. Le Naour et coll.
A gauche, l'image de microscopie optique montre un foie atteint de stéatose. La stéatose, qui peut évoluer vers la cirrhose et
parfois le cancer du foie, se caractérise par la formation de vésicules (cellules gorgées de graisse, indiquées par les flèches). A
droite, l’image obtenue par spectroscopie infrarouge (IR) est superposée à l'image de microscopie optique. L’échelle de couleurs
correspond à une quantité croissante d’insaturations (doubles liaisons carbone-carbone dans la chaîne carbonée), signe de la
présence de lipides insaturés. En visualisant ainsi la distribution des lipides dans les vésicules stéatosiques, on en conclut que des
variations importantes dans la composition locale de ces lipides interviennent lors de la formation de la stéatose. Si l’on couple la
microscopie à la spectroscopie, il devient possible de localiser les composants sur la surface étudiée : on réalise une cartographie du
tissu. La résolution est grandement améliorée par l’emploi d’une source de lumière synchrotron, offrant des faisceaux très intenses
de quelques microns (Réf. 2).
6.2 Infection de cellules par des agents pathogènes - Diffraction X (ligne PROXIMA1)
Cette superbe couronne est une image de la structure d’un ensemble de protéines
formant un canal - on voit bien l’orifice - qui permet à la bactérie A. tumefaciens1 de
faire passer une partie de son ADN ou de ses protéines dans la cellule cible qu’elle
infecte (cellule végétale, alors touchée par la « galle du collet »).
La couronne est formée de 14 unités identiques, une unité étant elle-même constituée
de 3 protéines, de plusieurs milliers d’atomes chacune (une couleur par protéine, sur
l’image). Le diamètre total est de l’ordre de 15 nm.
Pour obtenir cette image, les scientifiques ont travaillé sur des cristaux, assemblages
réguliers de millions d’exemplaires de « la couronne ». Le cristal est irradié par des
rayons X, qui diffractent sur les nuages électroniques des atomes constituant les
Ensemble de protéines formant un canal
© G. Waksman et coll., U.C. Londres
molécules. Les chercheurs « remontent » à la position de chaque atome dans la
molécule à partir des informations données par les ensembles de taches de diffraction
enregistrés. Des « tactiques » complémentaires aident à résoudre la structure étudiée, comme l’analyse de cristaux de la molécule
dans laquelle ont été incorporés des atomes de Sélénium (Réf. 3).
(1) Agrobacterium tumefaciens est une bactérie trouvée dans les sols. C'est un pathogène des végétaux responsable d'une maladie appelée « galle du collet ». Cette
bactérie a été identifiée à partir de galles en 1907.
30
Les applications
6.3 Améliorer les performances des batteries au lithium - Spectroscopie d'absorption X
Lors du fonctionnement d’une batterie au lithium, les ions Li+ formés au pôle négatif passent, à travers l’électrolyte, sur l’autre électrode.
Cette migration est compensée par le passage d’autant d’électrons dans l'appareil branché sur la pile, produisant ainsi le courant
électrique. Lors de la charge de la batterie, un générateur extérieur impose un courant électrique en sens inverse du précédent,
entraînant la migration des ions Li+ dans l’autre sens. Les matériaux de départ sont ainsi reconstitués.
En conséquence, les électrodes doivent accepter ions et électrons, de façon réversible, sans perdre de leur capacité, et cela un grand
nombre de fois. Pour mesurer leur performance en fonctionnement (charge et décharge), il faut suivre l’évolution de la structure du
matériau et de ses propriétés électrochimiques, avec une technique beaucoup plus rapide que le phénomène étudié. Une technique
qu'offre une ligne de lumière comme LUCIA (Réf. 4).
En cours de charge, des ions Li+ partent de l’électrode et des ions
Fe2+ sont oxydés en Fe3+. L'oxydation est suivie par spectroscopie
d’absorption X car le seuil d’absorption du fer est fortement modifié.
En se plaçant à une énergie donnée, on observe la variation de l’intensité d’absorption, directement reliée à la proportion de Fe3+ et donc à
l’évolution de la réaction d’oxydation.
Chaque ligne horizontale de la cartographie correspond à un état de charge
de la batterie, entre LiFePO4 (ligne du haut) et FePO4 (ligne du bas).
Chaque colonne correspond à un point de l’électrode de 7x7 µm, les lignes
étant séparées de 400 µm. La couleur varie du rouge (Fe2+ pur) au violet
(Fe3+ pur). L'inhomogénéité de l’électrode est peut-être due au procédé de
fabrication ou à une inhomogénéité de pression dans la cellule.
Cartographie enregistrée au cours de la charge d'une batterie
au lithium, dont l’électrode positive est constituée de LiFePO4
6.4 La sécurité sanitaire des emballages - Spectroscopie par fluorescence UV (ligne DISCO)
La sécurité sanitaire des matériaux au contact d'aliments fait aujourd’hui débat. Pour exemple, la migration dans les aliments
d'additifs (antioxydants de type phénols ou sulfites encombrés) ou de résidus (amines aromatiques) présents dans les plastiques
d'emballage est susceptible de présenter un risque pour les consommateurs. Comment quantifier le niveau de contamination des
aliments ? Des méthodes de modélisation existent mais elles ne sont disponibles que pour un nombre limité de substances.
Pour élargir le cadre prédictif, les coefficients de diffusion de plusieurs séries de molécules aromatiques homologues ont été mesurés
sur la ligne DISCO (Réf. 5). Les concentrations à l'état de traces (< 100 mg.kg-1) ont été déterminées par émission de fluorescence
avec une lumière excitatrice de longueur d'onde 285-295 nm. Les résultats ont mis en évidence des mécanismes universels de
translation de molécules de type additif dans des matrices thermoplastiques. Pour des molécules de taille moyenne, les lois de
diffusion ne correspondent à aucun mécanisme connu (Stokes-Einstein, Rouse, etc.). Pour des diffusants semi-rigides, les lois sont
imposées par la géométrie du diffusant plutôt que par les propriétés de la matrice polymère (densité, cristallinité, etc.). Ces résultats
suggèrent qu’il serait possible de concevoir des molécules actives (ex. antioxydants) avec des propriétés de mobilité contrôlées.
Les applications attendues concernent la conception d'emballages plus inertes et de matériaux à vieillissement maîtrisé.
Principe d'identification
des coefficients de diffusion
par micro-spectrométrie
de fluorescence
M (g.mol-1)
Spectre d'émission de fluorescence
Coefficient de diffusion d’oligophényls
dans un polypropylène (cristallinité = 30%)
31
Les applications
6.5 Pourquoi les bleus de Murillo ont-ils viré au gris ?
Spectroscopie d’absorption X (ligne LUCIA)
Le smalt était l’un des pigments bleus les plus communément utilisés par les artistes tels Véronèse
Echantillon
et Murillo, entre les XVIe et XVIIIe siècles. Pour le produire, on mélangeait un minerai de cobalt à
de la silice (par exemple du sable) et de la potasse pour former un verre d’un bleu intense qui
était ensuite broyé en poudre. Malheureusement, ce pigment a perdu sa couleur avec le temps :
nombre de ciels bleus des toiles de Murillo, par exemple, sont ainsi devenus grisâtres, changeant
profondément leur perception.
Ce phénomène de décoloration, décrit dès le XVIIe siècle, est resté inexpliqué… jusqu'en 2011.
A cette date, les scientifiques d’IPANEMA, du synchrotron SOLEIL, de la National Gallery et du
des grains de pigment (processus bien connu d’altération des verres) et le changement de
coordination de l’ion cobalt. Ce changement d’environnement de l’ion cobalt entraîne la
perte de la couleur bleue.
Absorbance
C2RMF (Réf. 6) ont montré qu’il existait un lien entre la migration des ions potassium hors
Ces résultats ont été obtenus par l’analyse de micro-échantillons d’œuvres de la National
smalt bien préservé
smalt altéré
Gallery et du Musée du Louvre par spectroscopie d’absorption X sur la ligne LUCIA de
SOLEIL. La combinaison unique de la taille du faisceau de rayons X délivré par LUCIA (de
7700
l'ordre du micromètre), associée à sa large gamme d’énergie, a été déterminante pour
sonder individuellement les grains de smalt dans les échantillons de peintures et ainsi
mettre fin à un mystère vieux de quatre siècles.
7800
Energie (eV)
7850
The Heavenly and Earthly Trinities (« The
Pedroso Murillo »), oeuvre de Bartolomé
Estaban Murillo - © National Gallery, London.
Les grains de smalt - ceux préservés et
ceux altérés - ont été analysés en utilisant
la spectroscopie d'absorption X au seuil K du
cobalt et autour du seuil (XANES et EXAFS).
6.6 L’âge des arbres exotiques
7750
Spectroscopie par fluorescence X (ligne DIFFABS)
Aux latitudes moyennes, les arbres créent un nouveau cerne chaque année, au printemps, à la reprise de croissance.
La dendrochronologie (l’étude des cernes) permet bien sûr de dater ces arbres mais elle apporte d'autres informations. La largeur des
cernes annuels est en effet influencée par les précipitations, la température, l'ensoleillement, la nature du sol et toutes les conditions
ambiantes (action de l'homme, maladies, parasites, etc.). Plus le cerne est large, plus les conditions de vie ont été favorables.
Ces repères peuvent évidemment nous renseigner sur l’évolution de la concentration atmosphérique en CO2 ou celle du climat.
Pour les arbres tropicaux, qui poussent dans les régions où les variations climatiques sont légères et les conditions toujours propices
à la croissance des végétaux, on ne sait pas à quoi correspond un cerne : l’âge des arbres tropicaux reste encore inaccessible,
aucune autre méthode ne permettant de remplacer convenablement la dendrochronologie. Il devient ainsi très compliqué de gérer
convenablement les forêts tropicales dont chacun connaît l'importance pour la « santé » de notre planète. Cette problématique,
curieusement peu étudiée jusque-là, mobilise l’équipe de Phytoécologie de l’INRA de Nancy, qui cherche une signature cyclique dans
les cernes de ces bois, par exemple des pics répétés de calcium liés aux saisons humides (Réf. 7).
Des carottes de troncs d’arbres, provenant d'une plantation de 56 ans en République Démocratique du Congo, ont été analysées
sur la ligne DIFFABS. Les arbres de plantation offrent l'avantage d'avoir un âge connu a priori, condition nécessaire pour valider
l'approche testée. Les échantillons ont été soumis à un rayonnement X
Calcium (en milliers de coups)
Cuivre
300
20
200
47
41
38
39
40
42
43
45
44
100
49
46
50
53
51 52
56
54 55
Calcium
0
150
48
170
190
Distance au coeur (mm)
Ecorce
10
0
210
Cuivre (en milliers de coups)
30
400
monochromatique de 10,7 keV. Les variations de concentrations radiales
des éléments K, Ca, Mn, Fe, Cu et Zn ont été mesurées du cœur de l'arbre
jusqu'à l'écorce, avec une résolution de 200 μm, par un spectromètre à
sélection d'énergie. L'élément Ca présente les cycles les plus marqués :
56 cycles y sont dénombrés du cœur à l'écorce. Ces résultats, qui
s'inscrivent dans un domaine pionnier, confirment l'existence de signaux
chimiques, marqués par les variations cycliques de l'environnement,
archivés dans le bois, et permettant la reconstruction a posteriori de la
croissance des arbres tropicaux.
32
Les applications
6.7Les bactéries magnétotactiques – Dichroïsme magnétique circulaire des rayons X
(ligne DEIMOS)
Le vivant sait produire des minéraux et même des minéraux magnétiques. C'est le cas des bactéries « magnétotactiques » qui contiennent
des chapelets d'aimants appelés magnétosomes. Elles vivent dans l'eau et les sédiments, où elles trouvent leur nourriture à l'interface
oxique/anoxique (oxygénée/non oxygénée). Grâce à leurs aimants qui jouent le rôle de boussoles, elles suivent les lignes du champ
magnétique terrestre et se déplacent dans une seule dimension, le long des « gradients de nourriture », une méthode plus avantageuse
que de rechercher dans les trois dimensions.
0,2
Les magnétosomes sont des cristaux de magnétite Fe3O4 ou de greigite
A
Fe3S4. Leur taille (quelques dizaines de nm), leur système cristallin,
B
leur grande pureté chimique en font des objets remarquablement
0,0
-0,2
« optimisés ». Prenons leur taille : les cristaux sont des mono-domaines
magnétiques, à aimantation maximale. Plus grands, ils contiendraient
plusieurs domaines d'orientation différente et l'aimantation totale
C
D
0,0
serait réduite. De même, leur concentration en Fe2+ est supérieure à
celle des cristaux non biologiques, ce qui renforce leur aimantation.
Comment la bactérie synthétise-t-elle un tel cristal, avec une qualité
qu'aucun processus chimique ne semble en mesure d'égaler ? Quels
0,5
A (nanomagnétites) et B (cristal)
sont d'origine biologique.
C (nanomagnétites) et D (cristal)
sont d'origine chimique
(non biologique).
sont les facteurs génétiques et environnementaux qui contrôlent la cristallisation ? Ces questions
constituent l'un des axes de recherche de l'équipe MIMABADI au sein de l'Institut de Minéralogie et
de Physique des Milieux Condensés. La ligne DEIMOS est l'un de leurs outils (Réf. 8).
-0,5
-1,0
700
710
720
730
740
750
Energie (eV)
Graphes de droite : en haut, signal
XMCD d'une magnétite d'origine
biologique et en dessous, différence
des spectres XMCD de magnétites
d'origines biologique et chimique.
DEIMOS est dédiée au dichroïsme magnétique circulaire dans le domaine des X mous (ou XMCD, différence d'absorption de la
lumière selon que sa polarisation est circulaire droite ou circulaire gauche). L'XMCD est une technique idéale pour la caractérisation
des propriétés magnétiques de nanostructures. Dans le cas de l’étude des bactéries magnétotactiques, elle permet d’obtenir de
nombreuses informations relatives à la cristallo-chimie des cristaux de magnétite (état de valence du fer, rapport Fe2+/Fe3+ au sein des
cristaux étudiés, etc.).
6.8 Une comète en miniature - Spectroscopie infrarouge (ligne SMIS)
Une particule de poussière interplanétaire (IDP, pour Interplanetary Dust Particle) supposée d'origine
cométaire et fournie par la NASA a été étudiée en laboratoire avec différentes méthodes d’analyse :
spectrométrie infrarouge (IR, 2 à 60 µm), Raman et FESEM-EDX, dans le cadre de l'analyse des matériaux
cométaires effectuée par l’équipe « Astrochimie et Origines » de l'Institut d’Astrophysique Spatiale
(IAS) d’Orsay, en collaboration avec la ligne de lumière SMIS de SOLEIL et l'Université de Naples
« Parthenope » (Italie).
Particule de poussière
interplanétaire (après
pressage)
Cette IDP est un agrégat poreux chondritique (la chondrite est un type de météorite
pierreuse formé principalement de minéraux silicatés et contenant moins de 35% de
métal). Elle a été pressée dans une cellule en diamant pour augmenter la qualité des
données spectroscopiques en minimisant les effets de diffusion de la lumière dus à la taille
de la particule, comparable à la longueur d'onde de l'observation. Cette combinaison de
techniques a permis une description minéralogique et organique de la particule. Le spectre
d’absorption IR du grain étudié sur la ligne SMIS montre des similitudes frappantes avec le
spectre d’émission IR de la comète Hale-Bopp, observé à distance (*).
Ce résultat souligne l'importance des études de laboratoire sur ces IDPs pour l'interprétation
Comparaison du spectre de la comète de
Hale-Bopp avec celui du grain étudié (IDP)
des données astronomiques. Il indique que la plupart des informations extraites des
observations à distance de la comète sont incluses dans les propriétés physico-chimiques
d'une IDP de ~20 µm de taille. L'IDP et sa composition chimique/minéralogique représente bien une sorte d'échantillon de « comète
en miniature », tombé du ciel (Réf. 9).
( ) Il est possible de comparer un spectre d’émission et un spectre d’absorption infrarouge, car toute longueur d’onde absorbée peut être émise si la substance a été
*
préalablement excitée. C’est le cas ici.
33
Les applications
6.9Le graphène, une alternative au silicium ? Spectroscopie de photoémission
(ligne CASSIOPEE)
Prenez du graphite. Il est constitué d'un empilement de feuillets séparés de 0,335 nm. Chaque feuillet est une monocouche de
carbone (dans une structure hexagonal plan) qu'on appelle le graphène. Le graphène a été isolé en 2004 par Andre Geim, du
département de physique de l'université de Manchester, qui a reçu pour cette découverte le prix Nobel de physique en 2010 avec
Konstantin Novoselov.
Le graphène est un candidat de choix pour l’électronique
très haute fréquence (transistors) car les électrons du feuillet
ont une mobilité bien plus grande que dans la plupart des
conducteurs usuels. Mais (car il y a toujours un mais), lorsque
les feuillets de graphène sont empilés les uns sur les autres
(les mutifeuillets sont beaucoup plus faciles à produire qu'un
seul feuillet) ou lorsqu'ils reposent sur un substrat, l’interaction
entre couches successives fait disparaître cette remarquable
propriété. Heureusement, ce n’est pas le cas pour l’empilement
que l’on trouve dans le « graphène épitaxié ». Cet empilement
particulier est obtenu en faisant croître des feuillets de graphène
Structure de bande de 10 couches de graphène. Mesures par spectroscopie
de photoémission résolue en angle (ARPES) sur la ligne CASSIOPEE.
sur la face carbone d’un cristal de carbure de silicium (SiC). Des
équipes du CNRS (Grenoble), du Georgia Institute of Technology (Atlanta, États-Unis) et de l’Université Paris Sud ont réussi à le
démontrer, grâce à des expériences de spectroscopie de photoémission résolue en angle réalisées sur la ligne CASSIOPEE (Réf.
10) : un échantillon composé d’une dizaine de plans atomiques de graphène épitaxié a la même signature spectrale que celle d'une
dizaine de plans uniques. De plus, la signature spectrale de « V inversé » traduit - entre autres propriétés - le fait que les électrons
du graphène peuvent être confinés dans des structures de taille nanométrique. Conclusion : l’utilisation du graphène épitaxié
multifeuillets est sérieusement envisagée pour des applications en électronique.
Références
• Réf. 1 : Magnétisme, volumes 1 et 2, sous la direction d’Étienne du Trémolet de Lacheisserie - EDP Sciences, 2000.
• Réf. 2 : Le Naour, F., Bralet, M. P., Debois, D., Sandt, C., Guettier, C., Dumas, P., Brunelle, A., & Laprévote, O. Chemical Imaging
on Liver Steatosis Using Synchrotron Infrared and ToF-SIMS Microspectroscopies. PLoS One, 2009, 4(10): e7408.
• Réf. 3 : Chandran, V., Fronzes, R., Duquerroy, S., Cronin, N., Navaza, J., & Waksman, G. Structure of the outer membrane
complex of a type IV secretion system. Nature, 2009, 462(7276): 1011-1015.
• Réf. 4 : SAMBA, ODE, LUCIA et CRISTAL sont les quatre lignes de lumière du synchrotron SOLEIL impliquées dans le projet
PULSSE (Programme pour l’utilisation de la lumière synchrotron dans le domaine du stockage d’énergie). PULSSE regroupe
également deux autres laboratoires : l’Institut des Matériaux Jean Rouxel de Nantes (IMN) et le Laboratoire de Réactivité et
Chimie du Solide d’Amiens (LRCS).
• Réf. 5 : O. Vitrac, X. Fang, F. Jamme, M. Refregiers. UMR 1145 GENIAL (INRA AgroParisTech), SOLEIL, UAR 1008 CEPIA (INRA).
• Réf. 6 : Les trois partenaires du projet sont : IPANEMA (laboratoire du CNRS au synchrotron SOLEIL), le Scientific Department de la
National Gallery de Londres, le Centre de Recherche et de Restauration des Musées de France (C2RMF), UMR171 du CNRS.
• Réf. 7 : Département EFPA (Ecologie des Forêts, Prairies et milieux Aquatiques), Unité Ecologie et Ecophysiologie Forestière
http://www.nancy.inra.fr/l_inra_en_lorraine/structures/eef.
• Réf. 8 : Carvallo, C., Ph. Sainctavit, M.-A. Arrio, N. Menguy, Y. Wang, G. Ona-Nguema, and S. Brice-Profeta (2008).
“Biogenic vs. abiogenic magnetite nanoparticles: A XMCD study”, American Mineralogist 93(880-886).
• Réf. 9 : Brunetto, R., et al., Mid-IR, Far-IR, Raman micro-spectroscopy, and FESEM-EDX study of IDP L2021C5: clues to its origin,
Icarus (2011), doi:10.1016/j.icarus.2011.01.038
A lire également : Crovisier, J, et al., 1997, Science, 275, 1904.
• Réf. 10 : M. Sprinkle et al., cond-mat/1001.3869 - M. Sprinkle et al., Phys Rev Lett, 103, 226803 (2009).
34
Corrigé de la fiche élève
Corrigé de la fiche élève
• Appariez :
Communication avec les sous-marins / Recherche des victimes d’avalanches : ondes radio - Compteur Geiger : rayons gamma Lampe à bronzer / Stérilisateur : UV - Stérilisateur / Scanner (radiographie) : rayons X - Radar / Téléphone portable : micro-ondes
- Rétine : visible - Télécommande : infrarouge.
• Vitesse des électrons :
Calcul non relativiste : v2 = 2Ec/m0 - On obtient : v2 = 3 x 1016, d'où v ≈ 1,7x108 m.s-1 ce qui est proche de c/2.
Calcul relativiste : Ec = Et - E0 = E0 (1
-1), d'où
.
A la sortie du canon, le calcul non relativiste donne v = 1,78.108 m/s et le calcul relativiste donne v = 1,58.108 m/s.
Les deux calculs donnent v ≈ c/2. On peut faire l'approximation classique.
Au bout d'un mètre, le calcul non relativiste donne v = 10,3.108 m/s et le calcul relativiste donne v = 2,97.108 m/s, soit v = 0,99c.
Il faut utiliser le calcul relativiste. On ne peut plus faire l'approximation classique.
• Une question de dimension :
Échelle métrique du magnétisme : électron - atome - réseau cubique - domaines de Weiss (champ moléculaire) cellules aimantées sur la piste d’un disque dur - disque dur d’ordinateur.
• Sur les pas de Pascal et de Guericke : le verre magique
Interprétation : si la feuille ne tombe pas, c'est qu'elle est soumise à une force vers le haut égale ou supérieure au poids du papier
et de l’eau. Cette force est due à la pression atmosphérique qui s’exerce uniquement sur la face inférieure du papier car sur la face
supérieure, la force est due à la pression de la hauteur d’eau contenue dans le verre : il faudrait une hauteur de 10,3 mètres pour
compenser la force due à la pression atmosphérique !
• Spectre d’absorption : H, C, N et O
• Température et couleur :
- Rigel (12 000 °C) : 2,4 10-7 m dans l’ultraviolet
- Soleil (5500 °C) : 5,0 10-7 m dans le vert
- Bételgeuse (3000 °C) : 8,9 10-7 m dans l’infrarouge très proche
- Corps humain (37 °C) : 9,4 10-6 m dans l’infrarouge
- Fond diffus cosmologique - ou rayonnement fossile (3 K) : 10-3 m dans les micro-ondes.
Remerciements
Le service de la communication de SOLEIL remercie toutes les personnes qui ont contribué à la réalisation de cette mallette, en
particulier François Baudelet (SOLEIL, ligne ODE), Marie-Agnès Tordeux (SOLEIL, physique des accélérateurs), Stefan Kubsky
(SOLEIL, Laboratoire de Surface), et Philippe Sainctavit (Institut de minéralogie et de physique des milieux condensés, UPMC).
36
Les applications
Le glossaire de SOLEIL
• Accélérateur : Machine qui accélère des particules chargées (électrons, protons, ions) et les porte à des énergies élevées. On utilise
des champs électriques pour accélérer les particules et des champs magnétiques pour les guider et les focaliser. Le synchrotron est
un type d'accélérateur de particules.
• Accélération : En physique, une particule subit une accélération lorsque son vecteur vitesse est modifié en direction, en sens et/ou
en valeur.
• Aimant de courbure : voir Dipôle.
• Booster (dans le cas de SOLEIL) : Accélérateur circulaire de 157 m de périmètre, son rôle est de faire passer les paquets d'électrons
de 110 MeV (en sortie du Linac) à 2750 MeV.
• Cavité accélératrice : Dispositif qui utilise une onde électromagnétique pour accélérer les particules chargées dans un accélérateur.
La fréquence d’oscillation du champ électrique correspondant à celle des ondes radio, ces dispositifs sont également appelés
« cavités radiofréquence ».
• CERN : Organisation européenne pour la recherche nucléaire (Genève, Suisse).
• Collisionneur : Accélérateur dans lequel deux faisceaux circulent en sens inverses pour entrer en collision frontale. L’énergie de
collision est ainsi le double de celle d’un faisceau individuel. Le LHC est un collisionneur de hadrons (protons ou ions de plomb).
• Dipôle (ou aimant de courbure) : Aimant possédant deux bobines parcourues par un courant, l’une constituant le pôle nord et
l’autre le pôle sud. Son rôle est de courber la trajectoire des électrons.
• Electron : Particule élémentaire de la famille des leptons, il possède une charge électrique négative.
• ESRF : European Synchrotron Radiation Facility (Grenoble, France).
• EXAFS : Extended X ray Absorption Fine Structure (spectrométrie d'absorption des rayons X, technique utilisant principalement le
rayonnement synchrotron).
• eV : Électron-volt (1 eV correspond à l’énergie atteinte par un électron soumis à une tension de 1 V).
• IR : Infrarouge.
• LASER : Light Amplification by Stimulation Emission of Radiation (amplification de lumière par émission stimulée).
• LEL : Laser à électrons libres (dans un laser, les électrons sont dans la matière alors que dans un LEL, ils sont dans le vide).
• LHC : Large Hadron Collider (grand collisionneur de hadrons), le plus grand accélérateur du CERN.
• Ligne de lumière : Ensemble de cabanes dans lesquelles le rayonnement synchrotron est dirigé et sélectionné par des systèmes
optiques pour aller éclairer l'échantillon à étudier dans la chambre expérimentale.
• Linac (dans le cas de SOLEIL) : Abréviation de « linear accelerator ». Accélérateur linéaire d'une longueur de 16 m, son rôle est de
constituer des « paquets d'électrons » et de les accélérer à 110 MeV.
• LURE : Laboratoire d’Utilisation du Rayonnement Électromagnétique (Orsay, Essonne, France).
• Onduleur : Dispositif placé dans les parties droites de l’anneau de stockage, formé de deux mâchoires de petits aimants juxtaposés
qui obligent les électrons à suivre une trajectoire ondulée, un peu comme celle d’un skieur qui godille. Son rôle est d'augmenter la
brillance du rayonnement émis.
• Photon : Particule sans masse associée aux rayonnements électromagnétiques.
• Rayonnement électromagnétique : Rayonnement décrit sous deux formes : soit corpusculaire (propagation de photons), soit on
dulatoire (propagation d'une onde électromagnétique). L'onde électromagnétique est la combinaison de deux ondes, l'une
électrique, l'autre magnétique, qui oscillent en même temps dans deux plans perpendiculaires.
• Rayonnement Synchrotron (dans le cas de SOLEIL) : Lumière émise par les électrons qui tournent dans l'anneau de stockage.
Le rayonnement synchrotron se produit lorsque l’on courbe la trajectoire des électrons avec un champ magnétique (force de
Lorentz) grâce à des dipôles ou des onduleurs.
• Rayonnement X (RX) : Rayonnement découvert par Röntgen en 1895.
• SOLEIL : Source Optimisée de Lumière d’Énergie Intermédiaire du LURE (Saint-Aubin, Essonne, France).
• Spectre électromagnétique : Répartition des ondes électromagnétiques en fonction de plusieurs échelles d'unité : l'énergie
des photons (en eV), la longueur d'onde (en m), la fréquence (en m-1).
• SVT : Sciences de la Vie et de la Terre.
• Synchrotron : Accélérateur dans lequel l’augmentation du champ magnétique des dipôles est synchronisée avec la montée en
énergie des particules.
• UV : Ultraviolet.
• Vide : Espace où la pression gazeuse est très inférieure à la pression atmosphérique.
• XANES : X ray Absorption Near Edge Structure (spectrométrie d'absorption des rayons X près du seuil).
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Document réalisé avec le soutien du Rectorat de Versailles - www.synchrotron-soleil.fr - Tél. 01 69 35 90 20 - Réalisation Epsim - Exécution : Vincent GRÉGOIRE © SOLEIL 2012
• Anneau de stockage (dans le cas de SOLEIL) : Accélérateur circulaire de 354 m de périmètre, son rôle est de « stocker » les
paquets d'électrons et de les faire tourner à 2750 MeV pendant plusieurs heures.