Le premier faisceau de lumière synchrotron a été observé en 1947. Depuis, des progrès spectaculaires ont été réalisés en physique des accélérateurs, électronique, informatique, ainsi qu’en technologies du magnétisme et du vide, permettant de produire des faisceaux de rayons X très intenses. La demande d’utilisation de ces faisceaux est croissante tant par les scientifiques que les industriels.

Les différentes composantes d’un synchrotron sont :

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- L’accélérateur linéaire (linac)

Les électrons sont émis au départ du “linac”, regroupés sous forme de paquets puis accélérés progressivement par des ondes électromagnétiques jusqu’à une vitesse très proche de celle de la lumière.

- Le booster synchrotron

Les électrons passent ensuite dans le “booster synchrotron”, un anneau de 300 mètres de circonférence dans lequel ils font plusieurs milliers de tours, gagnant un peu plus d’énergie à chaque tour. Dès qu’ils atteignent leur énergie finale, 6 milliards d’électronvolts – en à peine 50 millisecondes –, ils sont envoyés dans l’anneau de stockage.

- L’anneau de stockage

L’anneau de stockage, de 844 mètres de circonférence, est l’endroit où les électrons circulent à la vitesse de la lumière, dans un tube où règne l’ultravide (environ 10-9 mbar). Au cours de leur voyage dans l’anneau, les électrons passent dans différents types d’aimants : aimants de courbure, onduleurs et aimants de focalisation. Ils subissent des accélérations et perdent de l’énergie sous forme de rayonnement électromagnétique appelé “lumière synchrotron”. À l’ESRF, cette lumière synchrotron est principalement constituée de rayons X.

- Les lignes de lumière

Dans un synchrotron, les expériences se déroulent dans des lignes de lumière : des laboratoires spécialisés, dotés d’instruments de pointe et de leur propre équipe. L’ESRF compte 43 lignes de lumières. Chaque ligne est composée :

  • d’une cabine optique : c’est la première cabine où arrive, depuis l’accélérateur, le faisceau de lumière synchrotron. Elle comporte des instruments d’optique (fentes, filtres, monochromateurs, miroirs) qui donnent au faisceau de lumière les caractéristiques nécessaires à l’expérience menée.
  •  d’une cabine d’expérience : elle contient un dispositif sur lequel est positionné l’échantillon de matière à étudier, généralement très petit (<mm). Un ou plusieurs détecteurs enregistrent les données générées au moment de l’interaction des rayons X avec la matière.
  • d’une cabine de contrôle : elle permet aux chercheurs de diriger leurs expériences et de recueillir les données. Le contrôle à distance par des scientifiques restant dans leur laboratoire d’origine est désormais possible, sur les lignes de cristallographie.