Synchrotron

Le terme synchrotron sert à désigner un grand instrument électromagnétique conçu pour l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.


Catégories :

Accélérateur de particules - Physique expérimentale - Instrument optique

Recherche sur Google Images :


Source image : futura-sciences.com
Cette image est un résultat de recherche de Google Image. Elle est peut-être réduite par rapport à l'originale et/ou protégée par des droits d'auteur.

Page(s) en rapport avec ce sujet :

  • Dans le cas d'un synchrotron ces particules sont le plus fréquemment des électrons (plus rarement des positrons) et tournent à des vitesses relativistes.... (source : physique-quantique.wikibis)
  • ... Drôle de soleil que ce synchrotron ! Toute particule chargée, l'électron surtout, soumise à l'action d'un champ magnétique émet de ... (source : docsciences)
Article connexe : rayonnement synchrotron.

Le terme synchrotron sert à désigner un grand instrument électromagnétique conçu pour l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.

Schéma d'un synchrotron à protons - vue en plan et section d'un électroaimant

Perspective historique

Le principe du synchrotron a été pressenti au cours de la guerre, en 1943, par le Pr Oliphant à Birmingham. Les premiers projets américains (Brookhaven et Berkeley, 1947), suivirent de près l'invention du synchrocyclotron[1]. Pour dépasser les limites des cyclotrons, liées aux particules relativistes, il a été imaginé de faire fluctuer la fréquence de la tension accélératrice de façon qu'elle reste synchronisée avec le moment de passages des particules. L'accélération doit être pulsée et la phase de la tension accélératrice doit être réglée pour que les particules restent groupées (il faut éviter l'extension des paquets de particules le long de leur trajectoire).

Le synchrotron est un instrument pulsé donnant la possibilité de l'accélération à haute énergie de particules stables chargées. Comme le cyclotron il contraint les particules à tourner en rond entre les pôles d'électro-aimants disposés en anneau. Les particules sont accélérées à chaque tour. Pour les maintenir confinées dans le cercle, on ajuste le champ magnétique à l'énergie atteinte par les particules. Les particules sont injectées en bouffées dans l'anneau à bas champ magnétique, accélérées à mesure que croît le champ, puis éjectées lorsque ce dernier a atteint son maximum. On redébute alors avec une nouvelle bouffée. La stabilité de phase permet aux particules les plus lentes de recevoir une tension accélératrice plus haute que celle appliquée aux particules les plus rapides. Ainsi les particules de la bouffée restent groupées.

Après la seconde guerre mondiale des synchrotrons successifs ont dépassé l'énergie symbolique de 1 GeV vers 1950, 30 GeV en 1960, 500 GeV en 1972, 1 TeV dans les années 1980. Le synchrotron à protons de 6 GeV a produit les premiers antiprotons à Berkeley en 1956. Entre 1955 et 1970 (Berkeley, Brookhaven, CERN) des synchrotrons à protons ont permis la découverte de résonances, du neutrino muonique, de la violation de CP[2].

Les grands synchrotrons à protons ont proposé des faisceaux de toutes sortes de particules, même instables ou neutres. Pions, kaons, antiprotons, muons, neutrinos ont été créés et ont permis d'explorer le proton et d'identifier les quarks. Les machines du Fermilab (500 GeV) et du CERN (SPS, 450 GEV) ont projeté des particules sur d'autres particules au repos (cible fixe) puis ont été transformées en collisionneurs (proton-antiproton) pour monter en énergie.

Principe de fonctionnement d'un synchrotron à protons

Synchrotron à protons à gradient constant

Focalisation par gradients alternés

Une contrainte technique limite l'énergie maximale des particules accélérées. Elle est liée au mouvement latéral des particules. Sous l'effet des forces électro-magnétiques les particules ont tendance à osciller autour de la trajectoire théorique, la trajectoire centrale. Tout d'abord les constructeurs ont construit de plus gros électro-aimants, avec des chambres à vide de grandes dimensions. Ces synchrotrons à focalisation faible n'ont donné que des faisceaux peu intenses (Doubna, URSS, 10 GeV).

À Brookhaven en 1952 une nouvelle méthode de guidage a permis de faire progresser la technique du synchrotron (et des accélérateurs linéaires). Pour diminuer la taille et le poids des éléments magnétiques il faut focaliser le faisceau grâce à l'alternance de secteurs magnétiques à indice fortement positif ainsi qu'à indice fortement négatif. Les pièces polaires des aimants ont été dessinées pour que les champs magnétiques complexes produisent un effet focalisant sur les particules qui y circulent. Au lieu d'être parallèles, les extrémités des pièces polaires des aimants sont inclinées, les inclinaisons de deux aimants successifs étant opposées (on parle de gradients alternés). Il y a stabilité verticale et stabilité radiale du mouvement quand le synchrotron est constitué par une succession d'aimants à indices de champ alternés[3]. La focalisation forte sert à diminuer la taille des aimants, celle des tubes à vide, la consommation électrique. 2 appareils ont été fabriqués sur les prédictions théoriques : au CERN en 1959 (Diamètre 200 m, circonférence 600 m, énergie du faisceau 25 GeV) et au Brookhaven National Laboratory, Long Island (NY) en 1960 (Diamètre 200 m, circonférence 600 m, énergie du faisceau 30 GeV)

En résumé un synchrotron

Se compose essentiellement des éléments suivants :

Les particules sont maintenues dans un vide extrêmement poussé, tout autour de l'anneau, à l'intérieur d'un tube de forme torique.

La caractéristique du synchrotron est que l'intensité du champ magnétique de l'anneau est maintenue adaptée de façon synchrone à l'énergie du faisceau de particules, pour les maintenir sur une trajectoire fixe. Il peut en outre y avoir un second anneau, avec des particules tournant en sens inverse, pour réaliser des collisions entre particules avec une énergie utilisable particulièrement élevée. Ce sont des collisionneurs.

On peut distinguer essentiellement, par leurs contraintes de construction, deux types de synchrotrons ou de collisionneurs :


La suite de cet article concernera les synchrotrons à électrons, reconnus comme sources de lumière synchrotron.

Fonctionnement d'un synchrotron générateur de lumière synchrotron

Schéma de principe du synchrotron

À cause de la faible masse des électrons, l'accélération occasionnée par la courbure de leur trajectoire génère une onde électromagnétique, le rayonnement synchrotron. Ce rayonnement est collecté à différents lieux du tore, les lignes de lumière. Chaque faisceau lumineux rencontre ensuite des lentilles, miroirs ou monochromateurs pour sélectionner la gamme de longueurs d'ondes et de modifier les caractéristiques du faisceau (taille, divergence) qui sera utilisé dans l'expérience. «Au bout» de chaque ligne de lumière est monté un échantillon de matière servant de cible. Les photons (ou les électrons) éjectés lors de l'interaction du faisceau incident avec la cible sont détectés par des appareils de mesure ponctuels, linéaires ou bidimensionnels (caméra CCD, image plate). Suivant la taille de l'anneau, jusqu'à des dizaines d'expériences peuvent être menées simultanément.

Le circuit que traversent les électrons est constitué d'un tube de quelques mm² dans lequel règne un vide poussé (10-10 torr, soit 10-13 atm). Ce vide est indispensable pour éviter que les électrons ne heurtent des molécules d'air et ne soient ralentis.

Un paquet d'électrons, formant un faisceau fin comme un cheveu, est en premier lieu accéléré dans un accélérateur linéaire (Linac) jusqu'à une vitesse particulièrement proche de celle de la lumière. Puis le faisceau d'électrons passe dans un accélérateur circulaire nommé anneau d'accélération : l'objectif de cet anneau est d'augmenter l'énergie des électrons jusqu'à atteindre à peu près 2 GeV (à des vitesses proches de celle de la lumière, une accélération change particulièrement peu la vitesse, mais influe sur l'énergie de la particule). Cette valeur de l'énergie de fonctionnement n'est qu'approximative, et dépend du synchrotron. Une fois que les électrons ont atteint l'énergie voulue, ils sont injectés dans l'anneau de stockage (bien plus grand que l'anneau d'accélération, il atteint plusieurs centaines de mètres de circonférence), où ils vont faire des centaines de milliers de tours chaque seconde.

En une journée, les paquets d'électrons ont fait des milliards de tours dans l'anneau de stockage. A chaque tour, les électrons perdent légèrement leur énergie, en premier lieu simplement par le rayonnement qu'ils émettent, et aussi, malgré le vide particulièrement poussé qui règne dans le tube, par les collisions qui se produisent entre les électrons et les molécules résiduelles d'air. Pour compenser ce phénomène, des cavités accélératrices sont mises en route, à peu près trois fois par jour, pour ré accélérer les électrons et leur rendre leur énergie nominale.

Aimants de courbure

L'anneau de stockage n'est pas idéalement circulaire. Il est constitué d'une trentaine de segments rectilignes. À la jonction entre deux segments, on trouve un aimant de courbure. C'est un gros électro-aimant générant un champ magnétique entre 1 et 2 Tesla (et par conséquent relié à un circuit de refroidissement efficace) orienté perpendiculairement à la trajectoire des électrons. Ce champ dévie les électrons et les aligne dans l'axe du segment suivant. Ainsi, la trajectoire des électrons est un polygone de forme presque circulaire.

Au niveau de ces aimants de courbure, les électrons subissent une accélération. Selon la théorie électromagnétique, cela se traduit par un rayonnement, dit rayonnement de freinage : c'est le rayonnement synchrotron ou bremsstrahlung. Ce rayonnement polychromatique de photons (dont le spectre est assez large, et peut s'étendre de l'infrarouge lointain aux rayons X durs) est émis tangentiellement à la trajectoire des électrons. À cause d'effets relativistes, l'ouverture angulaire du faisceau est extrêmement faible (de l'ordre du milliradian). Le faisceau de photons, qui se sépare du faisceau d'électrons, est envoyé dans les lignes de lumière. Comme les électrons sont groupés en paquets dans l'anneau de stockage, le rayonnement synchrotron est émis sous forme d'impulsions de très courte durée.

Éléments d'insertion

Pour obtenir des faisceaux de photons toujours plus intenses, les synchrotrons de troisième génération contiennent ce qu'on nomme «éléments d'insertion». Ce sont des aimants localisés au milieu de chaque segment, en plus des aimants de courbure habituels.

Il en existe deux types : les wigglers (tortilleurs), et les ondulateurs. Les deux consistent en des aimants fournissant un champ magnétique alternatif. Au niveau de ces éléments, les électrons subissent de nombreuses accélérations successives, ce qui crée un rayonnement synchrotron énormément plus intense que celui créé par un simple aimant de courbure. On place bien entendu une ligne de lumière au niveau de chaque élément d'insertion.

La différence entre un wiggler et un ondulateur réside simplement dans la période d'oscillation du champ alternatif (cette période n'est pas anodine, et a des conséquences en termes d'interférences et de largeur de spectre du faisceau synchrotron émis).

Utilisations

La lumière synchrotron possède des caractéristiques exceptionnelles par comparaison aux sources de lumière classiques disponibles en laboratoire : son spectre d'émission couvre de l'infrarouge aux rayons X avec une brillance (petite taille, intensité) exceptionnelle, le rayonnement est stable, pulsé, et avec une forte cohérence spatiale et temporelle. Il peut ainsi être comparé à un laser accordable sur une grande gamme de fréquences spectrales, depuis l'infrarouge lointain jusqu'aux rayons X durs pour les synchrotrons de 3e génération.

Il permet, par ses propriétés, l'accès à de nombreuses expériences, mises en œuvre sur des «lignes de lumière», véritables laboratoires fonctionnant en parallèle à partir d'un même anneau de stockage :

Ces expériences concernent des domaines particulièrement variés, allant de la chimie et la physique principales, à l'analyse de matériaux archéologiques (voir par exemple L'interface patrimoine et archéologie de SOLEIL) ou d'organismes microscopiques. Elles peuvent aussi être employées à des fins industrielles.

Utilisation du rayonnement synchrotron après monochromatisation

Le rayonnement synchrotron émis est polychromatique. Son utilisation principale est néanmoins comme source monochromatique, en plaçant, entre le système expérimental et la source de lumière synchrotron, un monochromateur (cristal diffracteur, réseau). Les conditions de diffraction données par la loi de Bragg nous dit en effet que selon l'angle d'incidence du faisceau sur un cristal, on obtient un faisceau d'une longueur d'onde désirée. La longueur d'onde obtenue peut être variée particulièrement exactement, surtout pour mesurer l'évolution de l'absorption d'un échantillon au voisinage d'un seuil donné et en déduire des informations chimiques sur l'élément étudié dans le matériau.

Utilisation directe de la source polychromatique

La polychromaticité est aussi employée directement pour faire des expériences de diffraction de Laue en faisceau blanc, de l'absorption de rayons X rapide avec un cristal courbe, de la spectromicroscopie infrarouge à transformée de Fourier avec un interféromètre de Michelson.

Les synchrotrons dans le monde

Quelques synchrotrons en fonctionnement…

Synchrotron Synchrotron SOLEIL
Panorama du Swiss Light Source, à l'Institut Paul Scherrer (PSI) , Suisse

… quelques synchrotrons fermés…

… et quelques synchrotrons en construction

Notes et références

  1. Daniel Boussard, Les accélérateurs de particules, Que sais-je ? n° 1316, PUF, 1968, réed. 1984)
  2. Michel Crozon, L'univers des particules, Seuil, 1999
  3. Michel Crozon, La matière première, Editions du Seuil, 1987,

Recherche sur Amazone (livres) :



Principaux mots-clés de cette page : synchrotron - particules - électrons - énergie - aimants - anneau - faisceau - magnétique - rayonnement - champ - accélération - lumière - gev - protons - trajectoire - rayon - éléments - courbure - sources - dispositif - accélérateur - vide - particulièrement - accélératrice - électro - collisionneurs - taille - circulaire - lignes - expérience -


Ce texte est issu de l'encyclopédie Wikipedia. Vous pouvez consulter sa version originale dans cette encyclopédie à l'adresse http://fr.wikipedia.org/wiki/Synchrotron.
Voir la liste des contributeurs.
La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 30/11/2010.
Ce texte est disponible sous les termes de la licence de documentation libre GNU (GFDL).
La liste des définitions proposées en tête de page est une sélection parmi les résultats obtenus à l'aide de la commande "define:" de Google.
Cette page fait partie du projet Wikibis.
Accueil Recherche Aller au contenuDébut page
ContactContact ImprimerImprimer liens d'évitement et raccourcis clavierAccessibilité
Aller au menu