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Dossier : Rayonnement synchrotron - de Frascati à Soleil (1963-2013)

Bref historique sur les instruments

Dans ce texte ont été privilégiés les témoignages de ceux qui ont participé au colloque sur le rayonnement synchrotron organisé, en 2012, par la revue « Histoire de la recherche contemporaine ».bien que d’autres chercheurs aient aussi participé à cette aventure.
A brief historical review on instruments
Alain Michalowicz, Henri Ostrowiecki et Isabelle Martelly
p. 33-36

Texte intégral

De l’anneau de stockage au synchrotron ACO à Soleil : 1970-2003 – Trois décennies, trois « générations » d’instruments pour produire un rayonnement synchrotron

1Les grandes étapes de développement des machines dédiées au rayonnement synchrotron (RS) se sont déroulées au cours de trois décennies, de 1970 à l’aube du vingt et unième siècle. Plusieurs chercheurs français ont contribué de façon importante et même déterminante à ces développements, notamment Yves Farge. Il choisit d’évoquer, dans son article, le rôle pionnier et moteur du laboratoire Lure. Cette unité a été exemplaire par son dynamisme, son inventivité, sa productivité scientifique et son rayonnement international. D’autres chercheurs ont participé à cette grande aventure avec un sentiment de liberté et de jubilation, comme en témoigne un document audiovisuel facilement accessible, qui raconte l’histoire du rayonnement synchrotron dans la période antérieure à l’an 2000.1

2Les premières expériences utilisant le RS étaient « montées en parasites » sur les accélérateurs de particules de physique des hautes énergies. Ces dispositifs correspondent aux machines de première « génération » produisant le RS.

  • 2 Pour la définition de wiggler voir le glossaire.

3En 1963, dans l’excitation qui suivit les résultats obtenus sur l’accélérateur de Frascati, Yvette Cauchois entreprit une démarche auprès des physiciens des hautes énergies pour faire modifier, pour les besoins du RS, la machine ACO d’Orsay alors en construction. Elle voulait y installer ce qu’on pourrait appeler un wiggler2 dans le but de déplacer le spectre du rayonnement synchrotron émis par la machine vers les rayons X « durs ». Cette demande, tout à fait d’avant garde, était alors irrecevable par les physiciens des particules, à qui cette machine était destinée. En effet, ces derniers estimaient qu’un tel dispositif allait entraîner de trop fortes perturbations, et risquait d’altérer la qualité du vide dans l'anneau.

  • 3 Voir article d’Yves Farge, « L’élaboration du projet ESRF, la coopération européenne dans le domain (...)

4En 1971, Yves Farge et ses collaborateurs créèrent le laboratoire Lure (Laboratoire pour l’utilisation du rayonnement électromagnétique). Ils eurent la bonne idée de proposer l’installation, sur ACO, d’une seule ligne sur un aimant de courbure, associé à un système permettant de mieux isoler cette ligne de lumière sur l’anneau. La première expérience a pu être réalisée avec succès en 1971, pendant le week-end de Pâques3.

  • 4 Yves Petroff, actuellement au Brésil où il participe à la conception et au développement d’un annea (...)
  • 5 Dans les années quatre-vingt-dix, Pierre Marin, directeur de recherche au CNRS et responsable des m (...)

5Par la suite, dans les années soixante-dix, Yves Farge et Yves Petroff animent de nombreuses expériences de physique du solide utilisant les UV lointains sur ACO. Pour Y. Petroff4, la période de 1973 à 1985 a été la plus intéressante, notamment parce que le manque d’argent devait être compensé par un effort d’imagination et de créativité5. Pendant quelques années, grâce à l’anneau ACO, un certain nombre de « premières » ont fait la réputation du Lure. « Quand on n’avait pas la compétence, on allait chercher les meilleures équipes étrangères », dit Yves Petroff.

6Parmi ces découvertes, on peut citer :

  • la microscopie électronique à photoémission (PEEM) (F. Polack- Institut d’optique) ;

  • la microscopie dans les rayons X « mous » (G. Schmall-Göttingen) ;

  • la découverte du dichroïsme linéaire (J. Fuggle et G. Sawatsky-Niemegen), celle du laser à électrons libres sur un anneau de stockage ;

  • la génération d’harmoniques dans le VUV ;

  • la lithographie par rayons X (avec Fay et Trotel-Thomson-CSF) ;

  • la photoémission angulaire résolue en spin (Campagna group-Zurich) ;

  • la structure de bandes obtenue par photoémission angulaire ;

  • la mise en évidence des effets à N corps par photoémission résonante ;

  • la mise en évidence des effets à N corps dans les vapeurs métalliques ;

  • l’observation des états de surface sur les niveaux de cœur par photoémission ;

  • la photoémission en physique atomique et moléculaire, couplage avec laser.

7Yves Petroff a été pionnier dans la photoémission angulaire6, une technique qui permet l’analyse de la structure électronique des solides. Ce développement a été rendu possible grâce à la mise en place, sur ACO puis sur Super ACO, d’un monochromateur adapté à partir d’un dispositif développé par Didier Lepere, un jeune chercheur qui travaillait pour la société Jobin-Yvon après avoir soutenu sa thèse au laboratoire d’Orsay.

8La seconde « génération » de machines correspond aux premières qui furent dédiées au RS. L’anneau DCI (Dispositif de collision dans l’igloo), en 1976, fut la première machine française sur laquelle une ligne de lumière destinée au domaine des rayons X « durs » a été pensée et financée, dès sa conception. Sur DCI, 75% du temps de faisceau étaient dédiés aux expériences de physique des particules et 25% au RS. Ces 25% étaient souvent pris pendant les week-ends et les vacances. L’anneau DCI était donc une machine intermédiaire entre la première et la deuxième « génération ».

  • 7 La diffusion anomale est un phénomène qui apparaît dans les expériences de diffraction des rayons X (...)

9C’est à Denis Raoux, un physicien du Laboratoire de physique des solides (dirigé par Jacques Friedel) arrivé à DCI/Lure pour intégrer l’équipe de spectroscopie d’absorption des rayons X, qu’on doit des expériences de diffusion « anomale7 » de ces rayons. Ces expériences ont été rendues possibles grâce à l’installation d’un wiggler sur DCI. Par la suite, Denis Raoux est devenu le premier directeur de Soleil dont le responsable des machines était Amor Nadji.

  • 8 Pierre Marin, qui est décédé en 2002, était directeur de recherche au CNRS. C’était un homme de pro (...)

10Il faut rappeler que DCI était une machine remarquable à bien des égards. En particulier, elle possédait le record du monde pour la durée de vie du faisceau : injecté une fois par semaine, le lundi, il était utilisable, jour et nuit, jusqu'au samedi matin. La raison de ce record n'est pas banale. L'anneau était alimenté par l'accélérateur linéaire qui possédait aussi un dispositif capable de convertir les électrons en positrons - leurs antiparticules - afin de permettre certaines expériences de collisions entre particules élémentaires. Un jour, les physiciens de l'anneau, dont Pierre Marin8, décident de produire le rayonnement synchrotron avec des positrons au lieu d’électrons. Idée saugrenue ! Mais on se rend vite compte que la durée de vie du faisceau est multipliée par dix : les courants de positrons interagissent moins avec les gaz résiduels dans le vide de l'anneau et donc gardent plus longtemps leur intensité. Ainsi, pendant presque vingt ans, les chercheurs utilisant Lure/DCI ont travaillé quotidiennement avec des faisceaux de rayons X produits à partir d'antiparticules, alors que tout le monde sait que l'abondance naturelle des antiparticules est quasi nulle dans notre univers. C’était une situation unique au monde, mais qui n'a pas eu de suite. En effet, si DCI a bénéficié d’un dispositif de production de positrons déjà installé, un tel équipement présentait deux inconvénients :

  • le coût d'exploitation de la source de positrons y était plus élevé que pour les électrons ;

  • cette source d'antiparticules est devenue hautement radioactive.

11Ceci explique que le Lure ait été classé « installation nucléaire de base » (INB), contrairement aux autres laboratoires de rayonnement synchrotron, où il n'y a pas de radioactivité permanente lorsque la machine est arrêtée.

12De nos jours, sur les synchrotrons de troisième « génération », le problème de la durée de vie du faisceau d’électrons (qui obligeait les chercheurs à interrompre leurs expériences plusieurs fois par jour) a été résolu par l’installation de systèmes d'injection périodique permanente qui maintiennent une intensité de faisceau quasi constante (mode d'injection Top Up).

13Soleil, machine dite de troisième « génération », opérationnelle depuis 2006, est née après avoir connu de multiples péripéties au cours de sa genèse (voir l’article de Dominique Chandesris, Pierre Lebasque et Agnès Traverse). Cette machine est composée d’un accélérateur linéaire et d’un accélérateur circulaire ou booster pour augmenter encore la vitesse des électrons qui sont ensuite injectés dans un anneau de stockage. C’est sur cette machine de 354 mètres de circonférence que sont disposés de nombreux onduleurs et aimants de courbure. En fonction du champ magnétique, la longueur d’onde du rayonnement émis par les onduleurs est modulable (ou « accordable ») selon les besoins expérimentaux.

14Soleil est la seule machine, en France, capable d’accueillir des expériences couvrant une très large gamme du spectre, depuis les ondes millimétriques jusqu’aux rayons X (de longueur d’onde inférieure ou égale à 0,03 nm), en passant par l’infrarouge. Actuellement, plus de vingt-quatre lignes de lumière sont à la disposition des utilisateurs de Soleil.

15L’acronyme Soleil, évocateur de grandeur et de clarté absolue, signifie : Source optimisée de lumière d’énergie intermédiaire du Lure. Cet acronyme, résultat d'un concours interne au laboratoire, a eu la faveur de la majorité des utilisateurs car il soulignait la filiation avec le laboratoire Lure. Par ailleurs, on peut s’interroger sur le sens du terme « intermédiaire » de l’acronyme Soleil et sur l’intérêt de construire une machine dont l’énergie est deux fois moins importante (2,75 GeV) que celle de l’ESRF de Grenoble (European Synchrotron Radiation Facility) (6 GeV) optimisé pour la production des rayons X « durs » (3 à 0,1 Å). L’idée qui a guidé les concepteurs de Soleil était de construire une machine qui vienne compléter le parc existant et dont le spectre d’émission serait beaucoup plus large, allant de l’infra-rouge lointain aux rayons X « durs », permettant ainsi de développer des expériences dans de nombreux domaines scientifiques non couverts par l’ESRF. De ce fait, l'existence de ces deux machines complémentaires sur le sol français illustre la volonté de coopération internationale des chercheurs travaillant sur le synchrotron.

La quatrième « génération » de source de rayonnement synchrotron

16On parle actuellement de machines de quatrième « génération » dont la source de rayonnement est produite par des lasers à électrons libres (LEL) dans le domaine des X « durs ». Des onduleurs, disposés dans les parties droites des accélérateurs linéaires, permettent l’émission de rayonnement X cohérent.

17En 1978, Yves Pétroff a été à l’origine d’une première mondiale : il a réalisé un laser à électrons libres sur le synchrotron ACO d’Orsay. En quelques mots, un laser à électrons libres est un dispositif permettant de produire un rayonnement électromagnétique très puissant et cohérent à partir de faisceaux d’électrons relativistes passant dans des champs magnétiques intenses et alternés.

18Yves Petroff raconte qu’en 1977 il assiste à un workshop à Stanford dont l’un des intervenants est John Madey. Celui-ci y présente le premier laser à électrons libres qui vient de fonctionner dans l’infrarouge à Stanford même. Ce faisceau laser est produit par un dispositif installé sur un accélérateur linéaire.

19Selon Yves Petroff : « En rentrant à Orsay, j’en parle à Yves Farge qui, immédiatement, propose une “manip” sur ACO, pour “laser” dans le visible. Le seul problème est qu’il n’y avait ni l’argent ni le personnel pour faire ces “manips”. Farge “débauche” alors J. M. Ortega et M. Billardon et le CEA “donne” un étudiant brillant, Pascal Elleaume, et accepte de construire gratuitement un onduleur supra conducteur et on démarre, assez inconscients. John Madey nous propose une collaboration et vient un certain temps avec D.Deacon et un étudiant, Kem Robinson ».

  • 9 François David, directeur de recherche au CNRS, dit de lui : « Pascal Elleaume s’est immédiatement (...)

20Le gain est beaucoup plus faible que prévu et les expériences sont difficiles. John Madey repart donc à Stanford avec D. Deacon mais Kem Robinson, lui, reste à Orsay. Un collègue américain de Los Alamos écrit alors, dans un article de revue sur des projets de lasers à électrons libres existant dans le monde : « Le FEL (Free electron laser) d’ACO a un gain trop faible et il n’a aucune chance de “laser” !». Pourtant, Yves Petroff, aidé par l’opiniâtreté et les qualités scientifiques de ses collaborateurs, Billardon, Ortega, Elleaume et quelques autres, arrive à « laser » sur ACO. Il se souvient que les expériences avaient lieu la nuit jusqu’à trois heures du matin. Pascal [Elleaume] revenait le lendemain après-midi avec les résultats dépouillés et ... souvent avec un modèle théorique9.

21Cette expérience peut être considérée comme pionnière dans la réalisation des sources de RS avec les machines de quatrième « génération » que sont les lasers à électrons libres (LEL) telles que celles développées actuellement à Stanford, aux USA ; à Trieste, en Italie ; au Japon et à Hambourg, en Allemagne.

  • 10 Pour plus de détails, voir M-E Couprie, J-C Denard, L. Farvacque, G. Le bec, A. Nadji et J.L. Revol (...)

22Actuellement un LEL fonctionne à Orsay au Clio (Centre serveur laser à électrons libres dans l’infra-rouge d’Orsay) dans les longueurs d’onde de l’infra-rouge. Cependant il n’y a pas, en France, d’installation de LEL dans les courtes longueurs d’onde. Un X-FEL européen devrait être opérationnel vers 2015.10.

Synchrotron de première « génération » :

Synchrotron construit pour la physique des particules dans lequel on utilise, dans un premier temps, le rayonnement émis dans quelques aimants de courbure de façon parasite.

Exemple : ACO en France. Par ailleurs, DCI « Dispositif de collisions dans l’igloo) a été pensé, dès sa conception, pour la physique des particules et pour le RS. C’est donc un appareil intermédiaire entre la première et la deuxième « génération ».

Synchrotron de deuxième « génération » : anneau de stockage conçu pour le RS et utilisant initialement uniquement les sections courbes et quelques éléments d’insertion. Il est optimisé pour l’intensité du rayonnement. Exemple : Super ACO

Synchrotron de troisième « génération » : anneau conçu pour le rayonnement synchrotron exclusivement, l’optimisation de la taille de la source et de la brillance et l’utilisation maximum de sections droites pour des éléments d’insertion. Exemples en France : l’ESRF et Soleil.

Synchrotrons de quatrième « génération » : le LEL ou FEL (free electron laser). Exemple : Clio en France (Orsay).

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Notes

1 http://www.canal-u.tv/video/science_en_cours/de_lure_a_soleil_1997.200

2 Pour la définition de wiggler voir le glossaire.

3 Voir article d’Yves Farge, « L’élaboration du projet ESRF, la coopération européenne dans le domaine du rayonnement synchrotron », Histoire de la recherche contemporaine, 2012, tome 1 n°1, pp.16-25.

4 Yves Petroff, actuellement au Brésil où il participe à la conception et au développement d’un anneau de stockage de troisième « génération » à Campinas, près de São Paulo, était directeur adjoint du Lure en 1977 puis en devint le directeur en 1980. Par la suite, il fut nommé directeur de l’ESRF.

5 Dans les années quatre-vingt-dix, Pierre Marin, directeur de recherche au CNRS et responsable des machines au LAL, suggère que la machine ACO soit conservée en tant que prototype de collisionneur. Il souhaite qu'elle soit maintenue à son emplacement d'origine au laboratoire de l'accélérateur linéaire d'Orsay, et transformée en pièce principale d'un musée scientifique pour être utilisée à des fins pédagogiques à destination des lycéens, des étudiants et du grand public. Cette idée a été concrétisée en 1993, avec la création de l'association « Science-ACO » avec l'aide, entre autres, de la région Ile-de-France, dans le but de diffuser la culture scientifique. En 2001 ACO a été inscrit sur la liste supplémentaire des monuments historiques.

6 Claude Depautex, Pierre Thiry, Robert Pinchaux, Yves Petroff du Lure ; Didier Lepere, Geneviève Passereau, Jean Flamand de Jobin-Yvon, « A new design for high flux grazing incidence monochromator for synchrotron radiation », Nuclear Instruments and Methods, Vol. 152, Issue 1, 1st June 1978, pp.101-102.

7 La diffusion anomale est un phénomène qui apparaît dans les expériences de diffraction des rayons X lorsque l'énergie des rayons X incidents est proche d'une arête d'absorption d'un atome du cristal. En diffraction des rayons X, les photons incidents sont alors absorbés et provoquent une excitation électronique de l'atome.

8 Pierre Marin, qui est décédé en 2002, était directeur de recherche au CNRS. C’était un homme de projets : ACO, DCI, Super ACO, Soleil. Il a été à l’origine de programmes de recherche exceptionnellement stimulants, tant sur le plan de l’instrumentation que sur celui de la physique fondamentale.

9 François David, directeur de recherche au CNRS, dit de lui : « Pascal Elleaume s’est immédiatement imposé comme un physicien hors pair, phénoménalement rapide et déjà autonome, corrigeant les estimations initiales optimistes sur la faisabilité, suggérant les améliorations décisives, analysant les données et les utilisant pour le travail du lendemain ». Le dispositif, qui a « lasé » en 1983, premier dispositif dans le visible, et qui a représenté une étape décisive dans le développement du domaine, doit beaucoup à Pascal de l’avis de tous. En 2001 Pascal a été nommé « directeur de la machine » à l’ESRF. Pascal Elleaume est décédé, avec deux de ses amis, dans un accident de montagne le 19 mars 2011 à Ceillac. Il avait 55 ans. http://ipht.cea.fr/Docspht//articles/t13/010/public/Elleaume

10 Pour plus de détails, voir M-E Couprie, J-C Denard, L. Farvacque, G. Le bec, A. Nadji et J.L. Revol, « Le rayonnement synchrotron, une source de lumière dédiée à la recherche », Reflets de la physique n° 34-35, juin 2013, pp.18-23.

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Pour citer cet article

Référence papier

Alain Michalowicz, Henri Ostrowiecki et Isabelle Martelly, « Bref historique sur les instruments », Histoire de la recherche contemporaine, Tome III - N°1 | -1, 33-36.

Référence électronique

Alain Michalowicz, Henri Ostrowiecki et Isabelle Martelly, « Bref historique sur les instruments », Histoire de la recherche contemporaine [En ligne], Tome III - N°1 | 2014, mis en ligne le 15 juin 2014, consulté le 15 décembre 2017. URL : http://journals.openedition.org/hrc/468 ; DOI : 10.4000/hrc.468

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Auteurs

Alain Michalowicz

Professeur de physique à l’université Paris-Est Créteil, chercheur à l’Institut de chimie et des matériaux Paris-Est (UMR CNRS et UPEC)

Articles du même auteur

Henri Ostrowiecki

Technicien et ingénieur CNAM au Laboratoire de chimie-physique

Articles du même auteur

Isabelle Martelly

Biologiste, professeur émérite de l’université Paris-Est Créteil et chercheur au Laboratoire croissance, réparation et régénération tissulaires (CRRET, ERT CNRS 7149)

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Droits d’auteur

© Comité pour l’histoire du CNRS

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