SYNCHROTRON RAYONNEMENT
L'application du rayonnement synchrotron
Pendant longtemps, le domaine des rayons X a été caractérisé par des sources peu brillantes (tubes à rayons X) et par une optique peu performante puisque les rayons X n'étant pas réfractés par les matériaux, il n'était pas possible de faire des lentilles comme dans le visible. Les ondulateurs (structures métalliques, de quelques mètres de longueur, présentant un champ magnétique périodique et que l'on installe sur les sections droites des anneaux de stockage) donnaient des gains en brillance de l'ordre de 1010 par rapport au tube à rayons X. En outre, des lentilles de Fresnel dans le domaine des rayons X mous nous permettent de focaliser sur un diamètre de 30 nanomètres et des zones de Bragg-Fresnel dans la région 5-50 kiloélectronvolts sur moins de 1 micromètre.
En 1993, il a été montré à l' E.S.R.F. (European Synchrotron Radiation Facility) de Grenoble que la lumière émise par un ondulateur, après monochromatisation et passage à travers un trou de 4 micromètres, est parfaitement cohérente. Cela veut dire que des expériences faites dans le visible avec des lasers deviennent possibles à 10 kiloélectronvolts.
Utilisation en physique
Ce rayonnement donne une impulsion nouvelle à l'étude de phénomènes fondamentaux : étude des électrons des couches atomiques profondes et de leurs corrélations dans les atomes, détermination directe de la structure de bandes des solides, détermination de la bande interdite (gap) dans les supraconducteurs à haute température, des propriétés électroniques des surfaces ou des liaisons chimiques d'absorbats, étude des molécules simples n'absorbant que dans l'ultraviolet lointain et de leur évolution photochimique (dissociation, ionisation, recombinaison directe). Ces études font appel à des méthodes spectroscopiques diverses, adaptées à ces longueurs d'onde : absorption, réflectivité, fluorescence, analyse énergétique et analyse des photoélectrons et des photons ions, ou encore diffraction, diffusion inélastique et diffusion Compton dans le domaine des rayons X.
La pression qui règne au centre de la Terre ou dans les planètes géantes est de l'ordre de 300 ou 400 gigapascals. On sait aujourd'hui reproduire ces pressions en laboratoire grâce aux enclumes en diamant. Mais l'obtention de pressions aussi élevées ne peut s'obtenir que sur des volumes très petits (de quelques micromètres cubes). Il est donc nécessaire d'avoir une source très brillante et la possibilité de focaliser les rayons X sur quelques micromètres carrés pour étudier sous très haute pression un des éléments les plus intéressants du tableau périodique, l'hydrogène. Des modèles théoriques montrent en effet que, vers 250 gigapascals, ce solide moléculaire devrait devenir métallique et supraconducteur à 260 kelvins.
Pendant longtemps, l'étude du magnétisme a été l'apanage des neutrons : cela est en train de changer grâce à la photoémission angulaire résolue en spin qui permet d'obtenir la structure de bandes des électrons majoritaires et minoritaires, à la diffraction magnétique résonante et au dichroïsme sur les niveaux de cœur.
De nombreuses techniques nouvelles ont vu le jour : la diffraction de surface (sous incidence rasante), qui permet d'étudier la reconstruction des surfaces et les interfaces, la diffraction magnétique (trop faible pour être détectée avec des tubes à rayons X), le dichroïsme sur les niveaux de cœur, qui permet de mesurer directement la partie orbitale et de spin du moment magnétique de matériaux, la microscopie à rayons X avec une résolution de 30 nanomètres, la diffraction nucléaire.
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Écrit par
- Yves FARGE : directeur scientifique chez Pechiney, Paris
- Marie-Paule LEVEL : directrice adjointe, division sources, synchrotron SOLEIL
- Paul MORIN : directeur scientifique adjoint, division expériences, synchrotron SOLEIL
- Yves PETROFF : directeur de l'European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble
Classification
Médias
Brillance du rayonnement synchrotron
Encyclopædia Universalis France
Émission synchrotron d'un électron accéléré
Encyclopædia Universalis France
Autres références
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