SYNCHROTRON RAYONNEMENT

Toute particule chargée soumise à une accélération émet des ondes électromagnétiques. L'émission de ce rayonnement ainsi émis s'appelle rayonnement de freinage magnétique ou, plus communément, encore, rayonnement synchrotron. Il a été observé pour la première fois en avril 1947 par Herb Pollock et Robert Langmuir sur le synchotron de 70 millions d'électronvolts qu'ils avaient construit au laboratoire de recherche de la General Electric à Shenectady (New York).

Cet effet est à la base des communications « sans fil », puisque les ondes sont émises par des électrons qui oscillent le long des antennes. Les propriétés de cette émission se calculent exactement avec les équations de l'électrodynamique classique pour une charge se déplaçant à très grande vitesse. Elles montrent que les propriétés géométriques et spatiales de la lumière émise ( photons) ne dépendent que de l'énergie de la particule, de sa masse et du champ d'accélération dans lequel elle se déplace. Seules des particules légères, c'est-à-dire des électrons ou leurs antiparticules (positons), peuvent subir des accélérations suffisantes.

Grâce à ses caractéristiques très spécifiques, le rayonnement synchrotron, initialement considéré comme parasite, est devenu un outil irremplaçable pour sonder la matière. En effet, sa grande étendue spectrale (de l'infrarouge aux rayons X durs), sa cohérence partielle, couplée à une brillance exceptionnelle, en font un instrument indispensable dans de nombreux domaines – physique, chimie, biologie, mais aussi environnement, géosciences, patrimoine, science des matériaux, etc. –, que ce soit pour des recherches à caractère fondamental ou bien appliqué. L'engouement rencontré pour ce type de source se traduit par la prolifération de ces installations au niveau mondial (environ une centaine sont aujourd'hui opérationnelles ou en cours de construction).

Les origines

Le principe du rayonnement qu'émet un électron en mouvement apparaît pour la première fois dans un ouvrage de J. Larmor en 1897 en ce qui concerne les électrons non relativistes, puis dans les ouvrages de A. Lienard et E. Wiechert en 1898 pour les électrons de vitesse arbitraire. La mise en évidence expérimentale eut lieu, d'abord indirectement en 1946 (J.-P. Blewett) par l'observation de la variation de l'orbite de l'électron, puis directement en 1947 par l'observation du rayonnement lui-même (Pollock et Langmuir) sur un synchrotron. C'est ainsi que le rayonnement électromagnétique de l'électron prit le nom de rayonnement synchrotron. L'utilisation du rayonnement synchrotron comme outil d'études commença vers 1970 après la construction des anneaux de stockage pour la physique des hautes énergies.

Assez rapidement, l'utilisation de ce rayonnement parasite pour d'autres branches de recherche s'est imposée, à partir des années 1970. Une étape a été franchie avec la construction de machines optimisées pour ce type de recherches, machines dites de deuxième génération. Enfin une troisième génération de machines dotées de faisceaux extrêmement concentrés et de dispositifs magnétiques supplémentaires optimisés (les insertions magnétiques) a permis de multiplier par 10¹² la brillance des sources des tubes à rayon X (fig. 1). La brillance permet de qualifier à la fois le flux de photons (nombre de photons par seconde) disponible sur l'échantillon et la possibilité de focaliser ce flux et de l'exploiter à très haute résolution spectrale. Ainsi est né le projet SOLEIL (source optimisée de lumière d'énergie intermédiaire du Lure), visant à doter la communauté française (et pour une large part européenne) d'une source de rayonnement synchrotron du meilleur niveau (voir encadré, Le synchrotron SOLEIL). Résultat d'une[...]