Lumière synchrotron - Synchrotron SOLEIL

SOLEIL est une source de lumière extrêmement performante qui permet d’explorer la matière,
inerte ou vivante.
Toute particule chargée subissant une accélération perd de l’énergie sous forme de rayon-
nement électromagnétique. Lorsque cette particule chargée subissant une accélération at-
teint une énergie dite relativiste, elle émet un rayonnement appelé, dans ce cas, lumière
synchrotron. Ce rayonnement revêt des qualités particulières de faible divergence, de po-
larisation, de cohérence, d’étendue du domaine spectral, etc... Captée à différents endroits
d’un anneau de stockage (354 m de périmètre pour SOLEIL), cette lumière est canalisée
vers des sorties, les lignes de lumières. Chaque ligne est un véritable laboratoire, instru-
menté pour analyser les échantillons.
Les installations dédiées à sa production sont des outils de choix pour sonder les structures
et étudier les propriétés de la matière inerte et vivante.
Opérationnel à partir de 2006, SOLEIL ouvre de nouvelles perspectives pour explorer la
matière avec une résolution de l’ordre du millionième de mètres et une sensibilité à tous
les types de matériaux. Ses applications sont multiples en physique, en chimie, en sciences
de l’environnement, en médecine et en biologie...
Schéma de principe d’une machine synchrotron
La mallette pédagogique de SOLEIL
Thème : La lumière synchrotron
D OCUMENT ENSEIGNANT
Mots-clés :
• Accélérateur
• Canon à électrons
• Rayonnement synchrotron
• Énergie relativiste
• Onde électromagnétique
• Photons
• eV, keV, MeV
• Longueur d'onde
• Lumière
• Brillance
• Polarisation
Dans cette fiche :
Le LINAC : La
rampe de lancement
des électrons et la
ligne de transfert
3
Le booster : la ronde
endiablée des élec-
trons
5
L’anneau de stoc-
kage : la piste de
fond des électrons
6
La lumière enfin 8
Les lignes de lu-
mière : interfaces
entre la machine et
les expériences
9
Solution des exerci-
ces
11
Caractéristiques du
rayonnement syn-
chrotron
10
Date de parution :
février 2004

Les Machines de SOLEIL
Perte d’énergie par rayonnement synchrotron
Dès que des particules chargées relativistes (circulant
presque à la vitesse de la lumière) subissent une accélé-
ration, elles perdent de l’énergie en émettant un rayon-
nement électromagnétique dit rayonnement synchro-
tron. La perte d’énergie due au rayonnement synchro-
tron n’est pas limitée aux seules machines dédiées.
Ainsi, dans un accélérateur de particules comme le
LEP (au Centre Européen de Recherche Nucléaire,
CERN - Genève), la déperdition d'énergie est très
importante, pour des particules que l’on cherche au
contraire à accélérer ! Dans ce cas, la lumière syn-
chrotron est gênante et considérée comme parasite.
Les éléments magnétiques de guidage
Des éléments magnétiques guident le paquet d’électrons tout au long de son « voyage ». Les dipôles (36 dans le
booster et 32 dans l’anneau) sont à la fois des éléments magnétiques de guidage qui courbent la trajectoire des
électrons et des sources de lumière. 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 « optiques » magnétiques qui permettent de conserver au
mieux les qualités du faisceau. Ces éléments sont rapidement traités dans « 3. L’anneau de stockage ».
Vide dans l’anneau
Afin de ne subir aucune déperdition d’énergie qui serait due aux collisions avec des molécules de gaz, il règne
dans toutes ces machines un vide d’environ 10-10 bar. Pour cela on utilise de nombreuses pompes de divers types.
)(
)(
5,88)(
4
0m
GeVE
keVU
ρ
=
Circonférence de
l’anneau en m
Energie E de la machine en
GeV et en keV Rayon de courbure ρ en m Energie U0 perdue par tour en keV
Super-ACO (Orsay) 72 0,8 GeV = 0,8.106 keV 1,70 21,3
SOLEIL (Saclay) 354 2,75 GeV = 2,75.106 keV 5,36 944
ESRF (Grenoble) 844 6 GeV = 6.106 keV 23,40 4,9.103
LEP (CERN – Genève) 27.103 70 GeV = 70.106 keV 3000 7,08.105
Quelques exemples de perte d’énergie par rayonnement synchrotron
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Thème : La lumière synchrotron
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Accélérateur et synchrotron
Un accélérateur linéaire ou circulaire accélère des par-
ticules chargées (protons, ions, électrons par exemple).
Il est utilisé tant en recherche fondamentale qu’en re-
cherche appliquée, ou pour la médecine et l’industrie.
Un téléviseur est un accélérateur d’électrons.
Un synchrotron est un type d'accélérateur circulaire
dans lequel les particules se déplacent en paquets sur
un rayon fixé, contrairement au cyclotron, et le
champ magnétique croît de façon synchrone avec la
vitesse des particules.
SOLEIL est un centre de production et d’utilisation de rayonnement synchrotron. Il est constitué d’un ensemble
de machines, qui sont détaillées dans les pages suivantes : le LINAC (LINear ACcelerator), le booster qui est un
synchrotron et l’anneau de stockage d’où partent les lignes de lumière.

1. Le LINAC : la rampe de lancement des électrons et la
ligne de transfert
1.1 Le canon à électrons
Rôle : fabriquer des paquets d’électrons de 90 keV
d’énergie(1).
Caractéristiques :
- Tension : 90 kV
- Intensité de sortie : de 10 à 100 mA
Le Wehnelt est porté au même potentiel que la ca-
thode, ici –90 kV. Il a pour but de concentrer les
électrons émis à faible vitesse. On peut le considérer
comme une optique électrostatique.
(1) A titre de comparaison, un canon à électrons de
téléviseur fournit des électrons dont l’énergie est
d’environ 20 keV.
*la grille d’or permet de pulser le faisceau d’électrons :
▪ tension 0 V : les électrons sont émis
▪ tension –100 V : les électrons restent piégés
Faisceau d’électrons
Filament de tungstène
Anode à une
tension de 0 V
Cathode à une tension
de -90 kV
Wehnelt à une tension
de -90 kV
Grille en or*
Le LINAC, accélérateur linéaire d’une longueur de 16 m, est le premier maillon de la chaîne. Son rôle est de fa-
briquer un faisceau d’électrons pulsés (des bouffées de 300 ns, trois fois par seconde soit une fréquence de 3 Hz)
d’énergie de 100 MeV ± 5 MeV.
Le LINAC débute par un canon à
électrons comparable à celui que l’on
trouve dans un téléviseur : un élément
chauffé produit des électrons qu’un
champ électrique regroupe en paquets
de la taille d’un cheveu. Les paquets
d’électrons vont être accélérés en
voyageant sur une onde électromagné-
tique comme un surfeur sur la vague.
Pour aller plus loin avec quelques calculs
Vous pouvez vérifier cette affirmation. : « à la sortie du canon, les électrons d’énergie 90 keV ont une vitesse
d’environ c/2 » avec c la vitesse de la lumière dans le vide.
Les éléments du LINAC sont : le canon à électrons, le groupeur, les sections accélératrices.
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1.2 Le groupeur
Rôle : accélérer les électrons à la sortie du canon jusqu’à la vitesse de la lumière.
Au début du groupeur, les électrons sont non relativistes, c’est-à-dire qu’ils ont une vitesse v « faible » par rap-
port à c (v de l’ordre de c/2). Ils sont trop lents pour être accélérés par une section accélératrice classique (voir ci-
dessous). Par contre, 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.
1.4 La ligne de transfert du LINAC dans le booster
Rôle : ajuster l’énergie moyenne des paquets d’électrons pour faire coïncider les caractéristiques du faisceau à la
sortie du LINAC avec celui du booster.
Le rendement de la ligne de transfert « LINAC-booster » est au mieux de 30 %, c’est-à-dire que 30 % des élec-
trons fabriqués par le LINAC sont injectés dans le booster ; les autres se perdent. Cette « performance » corres-
pond à peu près à remplir un tuyau avec un arrosoir !
Exemple de section avec 9 cavités accélératrices
(1) Cette onde est dite « de très haute fréquence ». A titre de comparaison, la fréquence de l’onde utilisée dans les
téléphones portables est de 900 MHz et celle utilisée dans les fours à micro-ondes de 2500 MHz (valeurs approxi-
matives).
Pour aller plus loin avec quelques calculs
Trouver à partir de quel endroit de la machine les électrons sont relativistes (vitesse v = 0,99 c).
Quelques pistes : pour v = 0,99 c calculer l’énergie cinétique et admettre que dans le LINAC, la montée en
énergie est linéaire.
Vous avez deux formules, relativiste ou non. Laquelle choisir ? Peut-on faire l’approximation classique ?
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Rôle : accélérer les paquets d’électrons de 15 MeV à 100 MeV.
Le LINAC comporte deux sections accélératrices de 3 m de
long et 42,5 MeV chacune. Dans chaque section, un générateur
d’énergie, appelé klystron, injecte une onde électromagnétique
de 3000 MHz
(1)
.
Les paquets d’électrons, qui continuent de « surfer » sur cette
onde, accumulent au total une énergie de 100 MeV : les 15 MeV
initiaux du groupeur + 2 fois 42,5 MeV.
1.3 Les sections accélératrices

Quelques valeurs de champ magnétique :
La Terre : 5.10-5 T (cette valeur moyenne varie dans le temps et dépend du lieu)
Sous une ligne haute tension : 5.10-5 T (alternatif)
Aimant permanent fabriqué à l'aide d'oxyde de fer : moins de 0,1 T
Aimant permanent très fort (à base de composés de terres rares) : environ 0,5 T
IRM (imagerie par résonance magnétique) : 1 T (les bobines des aimants sont refroidies à l’hélium liquide)
Champ magnétique intense généré en laboratoire : 10 à 100 T
Proximité d'une étoile à neutrons : 106 T
La ligne de transfert du booster dans l’anneau
Elle 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 de la ligne de transfert « booster-anneau » est meilleur que celui de la ligne de transfert « LINAC-
booster »: au mieux 70 % des électrons sortant du booster entrent dans l’anneau.
A la sortie du LINAC, les électrons entrent dans le booster, synchrotron de 157 m de périmètre. En une fraction
de seconde, leur énergie va passer de 100 MeV à 2750 MeV (ou 2,75 GeV) par une accélération due à un champ
électrique. C’est pendant cette montée en énergie que les caractéristiques du faisceau vont être affinées : dimen-
sions des paquets et dispersion en énergie par exemple.
L’aimantation dans les dipôles du boos-
ter varie de 0,027 T (lorsque les élec-
trons entrent dans le booster avec une
énergie de 100 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 élec-
trons sont dans le booster. Ensuite, lors
de la diminution du champ, dans la 2ème
partie de la courbe, le booster est vide,
les électrons ayant été transférés dans
l’anneau.
Pour passer de 100 à 2750 MeV en 166
ms, les électrons font environ 300 000
tours dans le booster.
Pour aller plus loin avec quelques calculs
Quel est le rendement de la machine, sachant que 30 % des électrons fabriqués par le canon entrent dans le
booster et 70 % des électrons sortant du booster entrent dans l’anneau ?
Pour aller plus loin avec quelques calculs
Quelle est la vitesse moyenne des électrons dans le booster ? Comparez-la à c, vitesse de la lumière dans le
vide.
2. Le booster : la ronde endiablée des électrons
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