Comment fonctionne l'ESRF ?

La lumière synchrotron, également appelée rayonnement synchrotron, est produite lorsque des électrons de haute énergie, circulant dans un anneau de stockage, sont déviés par des champs magnétiques. 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 très intenses de lumière synchrotron. La demande d’utilisation de ces faisceaux est croissante.

L’accélérateur linéaire (linac)

Les électrons sont émis au départ du “ linac ”, regroupés sous forme de paquets puis accélérés progressivement (200 millions d’électronvolts) par des champs électriques 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 (6 GeV) – 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 aimants de courbure forcent les électrons à changer de direction. Ces aimants servent également de sources de lumière synchrotron. Cette lumière, émise tangentiellement à la courbure du faisceau d’électrons, est dirigée vers les “ lignes de lumière ”.
  • Les onduleurs sont des structures magnétiques formées de petits aimants à polarité alternée. Les faisceaux de lumière qu’ils produisent sont un million de fois plus intenses que les faisceaux issus des aimants de courbure. ils ont des propriétés de brillance et de cohérence proches des lasers.
  • Les aimants de focalisation, également appelés lentilles magnétiques, sont utilisés pour concentrer le faisceau d’électrons afin de le rendre le plus fin possible.

Les lignes de lumière

Dans un synchrotron, les expériences se déroulent dans des lignes de lumière : des laboratoires spécialisés, dotés d’instruments à la pointe de l’innovation et de leur propre équipe. L’ESRF compte 43 lignes de lumières spécialisées