Présentation
English
Auteur(s)
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Irène NENNER : Service des photons, atomes et molécules, DSM/DRECAM, Centre d’études de Saclay
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Jean DOUCET
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Hervé DEXPERT : Laboratoire pour l’utilisation de rayonnement électromagnétique (LURE), laboratoire mixte CNRS, CEA, MESR
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Lire l’articleINTRODUCTION
Le rayonnement synchrotron, lumière émise par des électrons ou des positrons relativistes et soumis à une accélération centripète fournit un très large spectre de longueurs d’onde depuis l’infrarouge lointain jusqu’aux rayons X. La nouvelle génération de machines spécialement conçues pour l’utilisation de cette lumière a ouvert, à une large communauté de scientifiques de laboratoires publics et privés, une grande variété de méthodes d’investigation de la matière condensée qui complètent et vont au-delà des méthodes classiques. La continuité spectrale et l’utilisation en faisceau monochromatique, la brillance de la source, sa structure temporelle, sa polarisation linéaire ou circulaire, ses propriétés de cohérence ont donné une nouvelle dimension aux études des propriétés structurales, électroniques, magnétiques de la matière à un niveau de résolution extrême. Les méthodes de caractérisation et d’analyse basées sur l’absorption, la diffusion-diffraction du rayonnement avec de nombreuses variantes, ou encore sur la fluorescence X et la photoémission, sont décrites avec différents exemples d’application choisis dans les secteurs de la catalyse, l’électrochimie, l’adhésion, la biocristallographie, la métallurgie ou encore les matériaux magnétiques artificiels. Les technologies et l’instrumentation associées au rayonnement synchrotron et au laser à électrons libres dans l’infrarouge, tels que les techniques d’imagerie, de microscopie et de lithographie beaucoup plus récemment développées en France ou à l’étranger sont présentées et illustrées par des exemples empruntés à la médecine, la chimie, l’électrochimie, la micromécanique. Enfin, le laser à électrons libres, qui peut être considéré comme une retombée du développement du rayonnement synchrotron, est décrit comme une autre nouvelle source de lumière. Les performances de la version infrarouge de ce laser sont illustrées par des applications en électrochimie et en microscopie à effet tunnel.
L'expertise technique et scientifique de référence
VERSIONS
- Version archivée 1 de oct. 1989 par Irène NENNER, Hervé DEXPERT, Michel BESSIÈRE
- Version courante de mars 2011 par Jean DOUCET, José BARUCHEL
DOI (Digital Object Identifier)
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1. Caractéristiques du rayonnement synchrotron
1.1 Principe de l’émission
La lumière émise par des particules chargées, telles que des électrons ou des positrons (« électrons » chargés positivement) accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière, est appelée rayonnement synchrotron. Le principe de base de cette émission s’interprète bien dans la théorie des ondes électromagnétiques de Maxwell [1]. Toute particule chargée soumise à une accélération émet un rayonnement électromagnétique. Lorsque l’accélération est faible (approximation de mécanique classique), le rayonnement est émis, dans tout l’espace de manière isotrope et il est presque monochromatique ; c’est le cas des antennes radio (figure 1 a et 1 c). Au contraire, lorsque l’accélération est forte (approximation de mécanique relativiste), le rayonnement est émis exclusivement tangentiellement à la trajectoire des particules et sa distribution en énergie s’étend continûment sur plusieurs puissances de 10 en fréquence (figure 1 b et 1 d ). C’est le cas dans les accélérateurs de particules que sont les synchrotrons et les anneaux de stockage dans lesquels les particules, portées à des vitesses proches de celle de la lumière, se trouvent soumises à des accélérations centripètes très élevées produites par des champs magnétiques intenses qui incurvent leur trajectoire. L’émission est caractérisée, entre autres, par la longueur d’onde critique (en nm) définie par :
λc = 0,56 R/E3 = 1,86/BE2avec :
- R (m) :
- rayon de courbure
- B (T) :
- induction magnétique
- E (GeV) :
- énergie des particules.
Donc, plus l’énergie des particules est élevée, plus λc est petit et plus le rayonnement émis se déplace vers les grandes énergies. Typiquement, l’anneau Super-ACO (LURE-Orsay) fonctionne avec une énergie de 0,8 GeV et une longueur d’onde critique de...
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