Lumière synchrotron - Synchrotron SOLEIL

D
O C U M E N T
E N S E I G N A N T
La mallette pédagogique de SOLEIL
Thème : La lumière synchrotron
Date de parution :
février 2004
D a ns ce t te fi c h e :
Le LINAC : La
rampe de lancement
des électrons et la
ligne de transfert
3
Le booster : la ronde 5
endiablée des électrons
Schéma de principe d’une machine synchrotron
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 rayonnement électromagnétique. Lorsque cette particule chargée subissant une accélération atteint une énergie dite relativiste, elle émet un rayonnement appelé, dans ce cas, lumière
synchrotron. Ce rayonnement revêt des qualités particulières de faible divergence, de polarisation, 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, instrumenté pour analyser les échantillons.
L’anneau de stockage : la piste de
fond des électrons
6
La lumière enfin
8
Les lignes de lumière : interfaces
entre la machine et
les expériences
9
Caractéristiques du
rayonnement synchrotron
10
Solution des exercices
11
Mots-clés :
• Accélérateur
• Canon à électrons
• Rayonnement synchrotron
• Énergie relativiste
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.
• Onde électromagnétique
• Photons
• eV, keV, MeV
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...
• Longueur d'onde
• Lumière
• Brillance
• Polarisation
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Thème : La lumière synchrotron
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Les Machines de SOLEIL
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.
Accélérateur et synchrotron
Un accélérateur linéaire ou circulaire accélère des particules chargées (protons, ions, électrons par exemple).
Il est utilisé tant en recherche fondamentale qu’en recherche 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.
Perte d’énergie par rayonnement synchrotron
Dès que des particules chargées relativistes (circulant
presque à la vitesse de la lumière) subissent une accélération, elles perdent de l’énergie en émettant un rayonnement électromagnétique dit rayonnement synchrotron. La perte d’énergie due au rayonnement synchrotron 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 synchrotron est gênante et considérée comme parasite.
U 0 ( keV ) = 88 ,5
Quelques exemples de perte d’énergie par rayonnement synchrotron
E 4 (GeV )
ρ (m)
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
27.103
70 GeV = 70.106 keV
3000
7,08.105
LEP (CERN – Genève)
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.
Document enseignant
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1. Le LINAC : la rampe de lancement des électrons et la
ligne de transfert
Le LINAC, accélérateur linéaire d’une longueur de 16 m, est le premier maillon de la chaîne. 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 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 électromagnétique comme un surfeur sur la vague.
Les éléments du LINAC sont : le canon à électrons, le groupeur, les sections accélératrices.
1.1 Le canon à électrons
Rôle : fabriquer des paquets d’électrons de 90 keV
d’énergie(1).
Wehnelt à une tension
de -90 kV
Faisceau d’électrons
Caractéristiques :
- Tension : 90 kV
Filament de tungstène
- Intensité de sortie : de 10 à 100 mA
Le Wehnelt est porté au même potentiel que la cathode, 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.
Cathode à une tension
de -90 kV
Grille en or*
Anode à une
tension de 0 V
*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
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.
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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 rapport à c (v de l’ordre de c/2). Ils sont trop lents pour être accélérés par une section accélératrice classique (voir cidessous). 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.
1.3 Les sections accélératrices
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.
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 approximatives).
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 ?
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 électrons fabriqués par le LINAC sont injectés dans le booster ; les autres se perdent. Cette « performance » correspond à peu près à remplir un tuyau avec un arrosoir !
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2. Le booster : la ronde endiablée des électrons
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 : dimensions des paquets et dispersion en énergie par exemple.
L’aimantation dans les dipôles du booster varie de 0,027 T (lorsque les électrons 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 électrons 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
Quelle est la vitesse moyenne des électrons dans le booster ? Comparez-la à c, vitesse de la lumière dans le
vide.
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 « LINACbooster »: au mieux 70 % des électrons sortant du booster entrent dans l’anneau.
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 ?
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Thème : La lumière synchrotron
3 . L’ a n n e a u d e s t o c k a g e : l a p i s t e d e f o n d d e s é l e c t r o n s
Les électrons relativistes sont transférés dans l’anneau de stockage pour y tourner avec une énergie de 2,75 GeV
pendant plusieurs heures. C’est un tube fermé d’environ 5 cm de diamètre constitué d’une succession :
• de virages (où se trouvent les éléments magnétiques de courbure appelés aussi dipôles ou aimants de courbure),
• de parties droites où se trouvent les éléments magnétiques d’insertion (wiggler et onduleur) et de réglage du faisceau (quadrupôles et sextupôles).
Sur les 354 m de périmètre de l’anneau de SOLEIL, il y a 42 % de parties droites, ce qui en fait actuellement la machine la mieux optimisée comme source de rayonnement synchrotron.
Chaque fois que les électrons se déplacent de façon non rectiligne et non-uniforme (ce qui est le cas dans les dipôles
et dans les éléments magnétiques d’insertion), ils subissent une accélération et perdent de l’énergie sous forme de
rayonnement synchrotron. La perte d’énergie est compensée par deux cavités accélératrices.
3.1 Les éléments magnétiques
Du LINAC à l’anneau de stockage, il y a plusieurs dizaines d’éléments magnétiques. Les dipôles (ou aimants de
courbure) font tourner les électrons, qui émettent alors du rayonnement électromagnétique. D’autres, les quadrupôles
et sextupôles, sont des lentilles magnétiques chargées de concentrer les paquets de particules afin de conserver leurs qualités.
Les dipôles
Les quadrupôles
Les sextupôles
ou aimants de courbure
Rôle : guider la trajectoire des
électrons en les faisant tourner et
produire de la lumière synchrotron.
Dans l’anneau de SOLEIL, il y a
32 dipôles soit une rotation de
11°25’ à chaque fois.
Longueur : 2 m
Champ : 1,71 T pour chaque dipôle.
Rôle :
assurer la focalisation du
faisceau d’électrons.
Rôle : maintenir le faisceau le plus
stable possible.
Les quadrupôles ont une forme
en 8. Leur culasse s’ajuste pour les
sorties de lumière.
Les sextupôles ont une symétrie parfaite d’ordre 6 dans la région des pôles. Ils doivent pouvoir produire des
champs magnétiques correctifs.
Longueurs : 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.
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3.2 Les éléments magnétiques d’insertion : onduleur et
wiggler
Ce sont des dispositifs magnétiques placés dans les parties droites de l’anneau. Ils sont formés de deux mâchoires
faites de petits aimants juxtaposés qui obligent les électrons à suivre une trajectoire ondulée, un peu comme celle
d’un skieur qui godille.
A chaque ondulation, l’électron subit une accélération et
émet de la lumière.
La lumière émise dépend du type d’élément (onduleur ou
wiggler) et de ses caractéristiques.
Les wigglers
Les onduleurs
Dans le « wiggler », l’observateur voit un train d’impulsions
lumineuses qui s’ajoutent de façon incohérente.
Rôle : déplacer l’émission de rayonnement vers les
plus courtes longueurs d’onde.
Le spectre émis par un wiggler est continu comme
celui d’un aimant de courbure mais avec un décalage vers les courtes longueurs d’onde. Et avec une
plus grande brillance.
Rôle : augmenter la brillance du rayonnement émis.
Dans l’onduleur, les électrons ondulent en s’écartant très
peu de leur trajectoire. Les nappes d’émissions se recouvrent. Certaines longueurs d’onde se trouvent
« favorisées » et l’on obtient un spectre de raies.
On perd en largeur de bande mais on gagne en brillance par
un facteur N2 (avec N le nombre d’aimants de l’élément).
Spectres des émissions de rayonnement
synchrotron dues aux électrons dans les
différents éléments magnétiques.
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4. La lumière enfin
Le spectre de la lumière (ou rayonnement) synchrotron 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.
Les propriétés remarquables du rayonnement synchrotron ouvrent la voie à un nombre croissant d’utilisations en
physique, chimie, sciences de l’environnement, médecine et biologie, ainsi que pour l’industrie.
L’émission synchrotron se produit de l’infrarouge (10-5 m) aux rayons X durs (2,5.10-11 m) soit en énergie de 1 eV
à 50 keV. Chaque utilisateur peut sélectionner la longueur d’onde adaptée à l’expérience qu’il conduit.
La polarisation du rayonnement permet l’étude des propriétés de surface des matériaux et des interfaces.
Le rayonnement pulsé (suite de paquets) permet l’étude dynamique de phénomènes, comme des réactions chimiques ou des déformations de molécules.
L’émission de lumière synchrotron obtenue dans un aimant de courbure peut être comparée à la lumière émise par des phares de voitures
dans un virage, et reçue par un observateur immobile. Ce dernier voit
une nappe. Les petites longueurs d’onde sont au centre et les grandes à
la périphérie.
Pour caractériser ce rayonnement, les scientifiques utilisent
« l’émittance », paramètre qui se définit approximativement comme le
produit de la surface du faisceau par sa divergence.
β =
V
c
et γ =
1
1− β 2
Pour aller plus loin avec quelques calculs
Observez la nappe du rayonnement synchrotron, sur la figure ci-dessus.
Sur quel paramètre peut-on jouer pour ajuster la largeur de la nappe de lumière ?
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5. Les lignes de lumière : interfaces entre la machine et
les expériences
Les expériences se déroulent dans des
lignes de lumière, qui sont des
« laboratoires » d’une vingtaine de mètres
de long en moyenne. Chaque ligne de
lumière est spécialisée pour un domaine
bien défini. Chercher une protéine dans
une cellule par spectroscopie ou microscopie infrarouge (IR) ou déterminer la
structure d’une protéine par diffraction de
rayons X (RX) ne s’effectuent pas sur les
mêmes lignes de lumière.
Les lignes de lumière sont constituées de
trois parties ou cabines :
La cabine optique : C’est la première cabine où arrive, d’un aimant de courbure
ou d’un élément d’insertion (onduleur ou
wiggler), 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
(RX mous : monochromateur à réseau, condenseur…, RX durs : monochromateur à cristaux, collimateur, etc.).
La cabine expérience : L’échantillon à étudier, généralement très petit (< mm), est positionné sur son
support. Lorsqu’il « reçoit » la lumière incidente, il « répond » de
diverses manières. Cette réponse est
enregistrée par un ou plusieurs 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 donné les petites dimensions du faisceau comme de
l’échantillon.
A SOLEIL, les cabines optiques et
les cabines d’expérience sont entourées de murs de plomb afin d’éviter
toute émission de faisceau vers l’extérieur de la ligne de lumière de
rayonnement synchrotron.
La station de travail : De cette
cabine, chercheurs et ingénieurs
assurent de nombreuses tâches.
Ils interviennent sur certains par a mèt re s de l ’e xp é ri enc e
(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…
2000 robots à piloter : Un des points
névralgiques
d'un synchrotron
comme SOLEIL est le système informatique de "contrôle-commande" : il
consiste à 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.
De même, le système informatique
de contrôle de chaque ligne d’expériences doit permettre en même
temps par exemple, de fermer les
mâchoires d'un onduleur, d’accéder à
la valeur du courant stocké dans
l’anneau, de lancer une acquisition
de données, puis de récupérer les
informations acquises. Un véritable
défi technique et informatique pour
atteindre un tel niveau d’intégration
des équipements.
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Thème : La lumière synchrotron
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6.Caractéristiques du rayonnement synchrotron
Très forte brillance : flux (nombre de photons par seconde) de 1020.
La brillance est le flux de photons (photons/seconde) par unité d’angle solide et de surface transverse de la source
(en photons/s/mm2/mrad2/0,1% ∆λ/λ). Pour la majorité des expériences, cette unité caractérise les qualités d’une
source.
Faisceau de très faible « ouverture » : très collimaté, de l’ordre du mrad.
Large gamme de longueur d’onde : de l’infrarouge aux rayons X durs, ce qui donne :
•
En énergie : 1 eV à 50 keV.
•
En longueur d’onde : 10-5 m à 2,5.10-11 m ou 104 nm à 2,5.10-2 nm.
Rayonnement pulsé : pulse de 50 ps répété toutes les 3 ns.
Rayonnement ayant une bonne cohérence spatiale, le diamètre de la source de l’ordre de quelques mm (et temporelle après le monochromateur.)
Rayonnement stable en position de l’ordre de quelques mm, et d’intensité non fluctuante, ce qui est primordial
pour la fidélité des résultats.
Adaptable en longueurs d’ondes : le faisceau est « blanc », de l’infrarouge aux rayons X durs.
Ce qui permet d’étudier en particulier :
•
des petits échantillons grâce à la faible divergence et au haut flux du faisceau refocalisable,
•
des phénomènes dynamiques (réaction chimique) et relaxations de système (fluorescence) car le
rayonnement est pulsé.
Fidélité des résultats du fait de la stabilité du faisceau.
Bon rapport signal sur bruit car haut flux et faibles fluctuations.
Longueur d’onde
Sources classiques
Remarques
Infrarouge
LEL et LASER IR
Les LASERs ne sont pas accordables en longueurs d’onde (ou très difficilement). Spectre d’émission sous forme de raies.
Ultraviolet
LASER UV
Mêmes limites que pour le domaine infrarouge. Ce type de source est
utilisé pour des durées d’impulsions extrêmement brèves (fs).
LASER X
Au LULI (Laboratoire d’utilisation des lasers intenses, à Polytechnique–
Essonne) longueur d’onde de 42 nm avec un tir toutes les 15 minutes !
Tubes RX
Spectre d’émission sous forme de raies, faisceau non polarisé et de faible
brillance.
Rayons X
Comparaison avec des sources classiques
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7. Solution des exercices
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.
Calcul non relativiste
1
Æ
Ec = m0 .v 2
2
1
Æ
Ec = m0 .v 2
2
2Ec
m
2E0
v 2 = c avec Ec = 90 keV = 90 x 1,60218 x 10-16 J et m0 = 9,1x10-31 kg
m0
v2 =
Ec : énergie cinétique. On obtient : v2 = 3 x 1016 Æ v ≈ 1,7x108 m.s-1 ce qui est proche de c/2
Calcul relativiste
Et = E0 + Ec
Et : énergie totale
Et = m.c2 avec mm==
mm0 0
v v2 2
11−− 2 2
cc




1

Ec = Et − E0 = E0
− 1


2

 1− v


c2
E0 : énergie au repos avec E0 = m0.c2 = 0,511 MeV
où v est la vitesse de la particule et c celle de la lumière.
  E
0
1 − 
=
v
c
Æ
+
E
  c E0




2

 dans ce cas on trouve v ≈ c/2


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 ?




1

− 1 avec v = 0,99 c et E0 = 0,511 MeV
Sachant que Ec = E0 

2

 1− v


c2
On obtient Ec ≈ 3 MeV.
Ainsi les électrons deviennent relativistes dans le premier mètre du LINAC.
Il faut prendre la formule relativiste : on ne peut plus faire l’approximation classique.
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Solution des exercices (suite)
Quelle est la vitesse moyenne des électrons dans le booster ? Comparez-la à c, vitesse de la lumière dans le
vide ?
Sachant que les électrons font 300 000 tours (3.105 tours) du booster de 157 m de périmètre en 166 ms, on a
v=
distance 3.10 5 × 157
=
= 2,84.10 8 m/s
-3
durée
166 × 10
Si l’on compare avec c = 3.108 m/s, on obtient v = 0,95c
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 ?
21 % des électrons sortant du canon à électrons se retrouvent dans l’anneau, soit moins de 1 sur 4.
Observez la nappe du rayonnement synchrotron, sur la figure. Sur quel paramètre peut-on jouer pour ajuster la
largeur de la nappe de lumière ?
On voit que la largeur du spectre est inversement proportionnelle au facteur de contraction γ qui dépend lui-même
de la vitesse des électrons, et donc de leur énergie, comme l’indique le tableau ci-dessous.
Avec v la vitesse de l’électron et E son énergie
v/c
γ-1= ψ en radian
γ
E en MeV
0
0,511
1
1
0,2
0,521
1,02
0,98
0,5
0,590
1,15
0,866
0,87
1,022
2
0,5
0,95
1,64
3,2
0,3
0,99
3,62
7,1
0,14
0,999
11,5
22
0,04
0,9999995
540
1057
(0,00095) 9,5. 10
-4
-4
0,9999998
800
1565
(0,00064) 6,4. 10
0,99999996
1850
3620
(0,00027) 2,7. 10
-4
-4
0,99999998
2750
5380
(0,00018) 1,8.10
0,999999996
6000
11741
(0,000085) 8,5. 10
Å ACO
Å Super ACO
Å DCI
Å SOLEIL
-5
Å ESRF
ACO : Anneau de Collisions d’Orsay
DCI : Dispositif de Collisions dans l’Igloo (Orsay)
SOLEIL : Source Optimisée de Lumière d’Energie Intermédiaire du LURE
LURE : Laboratoire pour l’Utilisation du Rayonnement Electromagnétique (Orsay)
ESRF : European Synchrotron Radiation Facility (Grenoble)
F I C H E
É L È V E
La mallette pédagogique de SOLEIL
Thème : La lumière synchrotron
Date de parution :
février 2004
Replacez sur le dessin :
Replacez sur le dessin :
• Les couleurs au bon endroit du spectre visible :
bleu
jaune
orange
rouge
vert
violet
• Les noms suivants en face des longueurs d’ondes λ :
infrarouge
micro-ondes
ondes radio
ondes submillimétriques
rayons gamma
rayons X
ultraviolet
visible
• les six phrases suivantes, en haut et en bas :
Petite longueur d’onde
Grande longueur d’onde
Haute fréquence
Basse fréquence
Photons de haute énergie
Photons de faible énergie
• la flèche indiquant le sens de variation de l’énergie,
sachant que E = k
avec
1
λ
E énergie des photons,
λ leur longueur d’onde,
k une constante.
Tr o u v e z . . .
Trouvez des objets dans le même rapport de dimension que λIR/λRX
Complétez ce texte à trous :
_____________ (1642-1727) concevait la lumière comme un flot de particules se
déplaçant très vite, en ligne droite. Cette description rendait bien compte de certains
phénomènes comme la réflexion, mais en laissait d’autres inexpliqués. En 1801,
______________(1773-1829) montra que deux faisceaux de lumière peuvent se détruire ou se renforcer, selon la manière dont on les combine. Cette expérience marqua la consécration de la théorie ____________de la lumière. Pour les physiciens du
XIXème siècle, la lumière était donc une ________, comme le son ou les vagues à la
surface de l’océan. En 1865, ___________________ (1831-1879), formula les fameuses « équations de Maxwell ». En combinant ces équations, il réussit à montrer
qu’un champ électrique variable produit un ________________variable qui en retour produit un champ électrique variable ; le résultat est une onde qui se déplace à
la vitesse de la __________ et qui a toutes les propriétés de la lumière. Maxwell en
conclut que la lumière est une onde _______________.
Complétez ce texte
à trous avec les
mots suivants :
ondulatoire
lumière
Thomas Young
électromagnétique
James Maxwell
quantique
Isaac Newton
Mais au début de XXème siècle, de nouvelles expériences, comme l’effet photoélectrique, montrèrent que la lumière se comportait bel et bien comme un faisceau de
particules ! Aujourd’hui, la lumière relève d’une théorie (la mécanique _________ )
pour laquelle elle est à la fois une onde et une __________ : la lumière est composée
de photons qui possèdent chacun un comportement ondulatoire…
onde
champ magnétique
particule
Ce texte* ne présente qu’une infime partie de l’histoire de la lumière, à laquelle de nombreux savants ont contribué : Christian Huygens, Augustin Fresnel, François Arago, Léon Foucault, Hans Christian Œrsted, Albert Michelson, Edward Williams Morley, Hendrik Antoon Lorentz, Max Planck et bien d’autres… Vous pouvez compléter vos connaissances sur Internet en utilisant un moteur de recherche (comme Google) et en tapant l’un des
noms propres cités ou tout simplement l’expression « histoire de la lumière ».
* adapté d’extraits de « Astronomie et Astrophysique » de Marc Séguin et Benoît Villeneuve, Ed. Masson
Appariez :
Ces objets peuvent être des détecteurs d’ondes électromagnétiques. Appariez détecteurs et longueurs d’onde :
antenne
molécule d’eau
peau
plaque photo
tissu de couleur
infrarouge
micro-onde
ondes radio
rayons X
ultraviolet
visible
Devinette :
Supposez que vous ne connaissiez pas la forme d’un l’objet. Les
seuls renseignements à votre disposition sont les ombres portées
sur l’écran. Trouvez la forme en 3 dimensions de l’objet. Vous
pouvez essayer avec : cylindre, cube, sphère, etc.
Cela vous rappelle peut-être quelque chose : le photon que personne n’a jamais « vu » est le constituant de la lumière. Il peut se
manifester comme une onde ou un corpuscule suivant la façon
dont on le sollicite, d’où le terme « dualité onde - corpuscule ».