Rapport de stage

Stage optique 3ème année
Etude d’une pinhole caméra
Aurélie
Thomas
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Introduction
Dans le cadre de ma formation d'ingénieur en Optronique à l'Institut de Formation
d’Ingénieurs de Paris Sud (IFIPS), j'ai effectué mon stage de troisième année au sein de la
société Synchrotron SOLEIL. Il était d’une durée de trois mois au sein du groupe Diagnostics
de la division Sources et Accélérateurs.
SOLEIL est un accélérateur de particules élémentaires dont le but est de produire une source
puissante de lumière (rayonnement synchrotron). Mon rôle au sein de l'équipe était l’étude et
la conception d’une pinhole caméra permettant de mesurer la dimension du faisceau
lumineux. Il s’agissait d’abord de définir un système optique dans le visible répondant à
certaines contraintes puis d’optimiser la partie du système pour les rayons X. Le lien entre les
deux parties est fait grâce à un convertisseur rayons X / visible.
Ce rapport est une synthèse du travail réalisé au cours du stage. Il est composé de deux
parties. La première partie expose le Synchrotron SOLEIL, son mode de production de
rayonnement synchrotron. La seconde partie est consacrée aux différentes étapes de la
conception de la pinhole caméra.

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I. Le rayonnement synchrotron
1. Historique
Dans les années 1950, la physique des particules est à son apogée : c'est alors une discipline
organisée autour de machines coûteuses en nouvelles technologies.
Grâce à ces mastodontes de la recherche, les tout premiers anneaux de collision fleurissent en
Europe. Notamment sur le site de la faculté d'Orsay où est mis en marche ACO (Anneau de
Collision d'Orsay).
Dans ces anneaux, tournent des particules à des vitesses proches de la lumière. En 1956, un
Américain constate qu'en tournant dans l'anneau, les particules perdent de l'énergie sous la
forme d'une lumière très intense : le rayonnement synchrotron.
Dès 1962, Yvette Cauchois, directrice du laboratoire de Chimie Physique de Paris, propose
d'utiliser le rayonnement d'ACO. Les physiciens des particules à qui appartient l'anneau
refusent : ils estiment que cela perturberait leurs expériences.
Ce n'est que dix ans plus tard qu'une poignée de jeunes chercheurs français insistent pour
lancer le rayonnement synchrotron en France.
Occupés à construire leur nouvel accélérateur DCI (Dispositif de Collision dans l'Igloo) de
plus grande énergie, les physiciens des particules acceptent toutefois de prêter ACO de temps
en temps… En 1973, naît la première ligne de lumière synchrotron en France.
Après le départ définitif des physiciens des particules la même année sur DCI, ACO devient
le premier anneau de collision totalement dédié au rayonnement synchrotron : c’est un
synchrotron de première génération.
Par la suite, des accélérateurs circulaires (les synchrotrons de seconde génération) ont été
conçus pour l’étude du rayonnement lumineux mais ne disposaient pas de lignes d’insertion.
La troisième génération se caractérise par des synchrotrons spécialement conçus pour étudier
et utiliser le rayonnement synchrotron. De nombreuses sections droites ont été prévues pour
placer divers types d’éléments magnétiques et le faisceau de particules est étudié pour que son
émittance soit faible, ce qui implique une brillance élevée (voir évolution des sources de
rayonnement et les principaux synchrotrons dans le monde en annexes).
2. Utilité
La caractérisation d’une cible requiert des longueurs d'onde comparables aux dimensions des
objets sous test. Ainsi, pour déterminer les propriétés des atomes, des molécules, des cristaux
ou des protéines, il faut un équipement capable de produire un rayonnement de longueur
d’onde de l’ordre du dixième d’angström au nanomètre. Un laser serait la solution idéale mais
aucune source de cette sorte n'a l'ajustabilité en longueur d'onde que le rayonnement
synchrotron peut offrir. C'est pourquoi le rayonnement synchrotron est un outil puissant
d'investigation dans de nombreux domaines de la recherche.

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II. SOLEIL
1. La société
a. Présentation
Au niveau national et international, des entreprises de différents secteurs attendent la mise en
place de grands instruments capables de produire ces rayonnements avec des qualités
optimales et maîtrisées. En 2000, et bien que la question ait déjà été soulevée depuis plusieurs
années (1989, première proposition d'une nouvelle machine à Orsay, préfigurant SOLEIL),
l'OPECST (Office Parlementaire d'Evaluation des Choix Scientifiques et Technologiques) a
considéré comme urgente la construction d'un nouveau synchrotron en France. La décision
sera annoncée par R-G Schwartzenberg : SOLEIL – Source Optimisée de Lumière d’Energie
Intermédiaire du LURE – sera implantée sur le plateau de Saclay. Cet équipement remplacera
le Super-ACO du LURE – Laboratoire d’Utilisation du Rayonnement Electromagnétique –
qui a fermé fin 2003 (voir historique du projet en annexes). Ce sera un synchrotron de
troisième génération, pourvu d'une quarantaine de lignes de lumière avec les meilleures
performances possibles. Bien qu'il soit une collaboration CEA-CNRS, SOLEIL sera une
société civile.
Ainsi, avec SOLEIL, la France répondra en partie à l'attente des industriels en développant un
synchrotron de troisième génération. L’exploitation des premières lignes de lumière est
prévue pour 2006. Il faut aussi noter que SOLEIL affiche déjà le but d’être présent dans tous
les domaines de recherche qui requièrent le rayonnement synchrotron.
b. Le financement
SOLEIL est en partie financé par les deux grands organismes de recherche français : le CEA
et le CNRS. Ils détiennent respectivement 28% et 72% des parts de la société.
Le développement, la construction et la mise en exploitation d’un synchrotron de troisième
génération comme SOLEIL (2002 à 2009) demande un budget de 386 M€.
La répartition budgétaire durant la période 2002-2009 sera définie comme suit :
207 Millions d'euros seront alloués aux investissements,
40 Millions d'euros au fonctionnement du laboratoire,
139 Millions d'euros aux salaires des employés.
Après 2009, le budget annuel de fonctionnement sera d'environ 44 Millions d'euros.
c. Quelques chiffres
Un projet comme SOLEIL représente des années de travail pour le développement,
l’installation puis l’entretien d’un tel équipement.
12 ans entre la première proposition du développement d’une nouvelle machine à
Orsay (1989) et la création de la société civile SOLEIL (2001),
2002-2003 : début de la construction,
2006 : date prévisionnelle de mise en activité des premières lignes. On prévoit
l’ouverture de 10 lignes pour le printemps 2006,
2009 : 24 lignes devraient être en fonctionnement,
43 lignes pourront êtres montées, quand SOLEIL sera complet.

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D’un point de vue humain, SOLEIL représente :
100 personnes en 2003 pour le développement de la source,
300 personnes en 2006 lors de la mise en exploitation des premières lignes de lumière,
350 en 2009,
2500 utilisateurs par an, dont au moins un quart d’étrangers,
80 % de personnel scientifique et technique,
20 % de personnel administratif.
SOLEIL compte actuellement environ 250 employés.
L'organigramme de SOLEIL se présente ainsi (figure 1):
Figure 1 : Organigramme de la société SOLEIL