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Le synchrotron SOLEIL voit le jour

C’est un ouvrage impressionnant, aussi vaste qu’un terrain de football, mais qui permet d’observer les plus petites structures de la matière, molécule par molécule. Le synchrotron SOLEIL a été construit sur le plateau de Saclay, en Essonne. Début des explorations scientifiques en septembre 2006.

Vue aérienne du synchrotron SOLEILSOLEIL est une source de lumière extrêmement puissante qui permet d’explorer la matière, inerte ou vivante. Plus concrètement, c’est un accélérateur de particules qui produit un rayonnement synchrotron.
© Synchrotron SOLEIL

Et dire qu’il a failli ne jamais voir le jour ! Destiné à dévoiler l’intimité de la matière grâce à la "lumière" intense qu’il produit, nommée "rayonnement synchrotron", le synchrotron SOLEIL est un miraculé. En 1999, le ministre de la Recherche, Claude Allègre, abandonnait le projet au profit d’une participation au synchrotron britannique Diamond. Après avoir longuement bataillé, s’être mis en grève, rappelé notamment que l’investissement nécessaire ne représentait que l’équivalent de quelques dizaines de kilomètres d’autoroute, les chercheurs français obtiendront gain de cause. Sept ans plus tard, le synchrotron SOLEIL, dit de "troisième génération", est devenu réalité. Il est destiné à remplacer les installations du Laboratoire pour l’Utilisation du Rayonnement Électromagnétique (LURE), à Orsay, arrêtaiées fin 2004 après plus de 30 ans de bons et loyaux service à la recherche, . SOLEIL permettra de connaître la structure fine de milliers d’échantillons chaque année, de sonder les objets jusqu’au niveau moléculaire et d’en comprendre les propriétés.

Parmi les utilisateurs déjà sur les rangs, on compte des physiciens bien sûr, mais aussi des chimistes, des biologistes, des spécialistes des sciences de l’environnement, des pharmaciens et des médecins, des fabricants de produits cosmétiques ou des cimentiers et même des archéologues, des conservateurs de musée. Pour profiter de cet outil d’envergure - ce super microscope a la taille d’un terrain de football -, tous se donneront rendez-vous sur le plateau de Saclay dès janvier 2007. C’est là en effet que SOLEIL a été installé. Sa construction a été rendue possible par un important effort de la Région Île-de-France et du Conseil général de l’Essonne qui ont contribué à hauteur de 183 millions d’euros sur les 227 millions nécessaires à l’investissement.
Du Canada à l’Australie en passant par la Corée, la Chine, Taiwan, le Japon ou le Brésil, il n’est plus guère de pays industrialisé qui ne soit équipé d’un synchrotron. L’Europe dans les prochaines années devrait disposer d’au moins sept nouvelles machines, dont Diamond en Grande-Bretagne, qui sera lui-aussi mis en service en 2007. La France héberge déjà à Grenoble un synchrotron de troisième génération, l’ESRF (European Synchrotron Radiation Facility, Installation Européenne de Rayonnement Synchrotron,), mis en service en 1992. Elle participe à hauteur d'environ 20 % à cette installation européenne. Mais chaque instrument a ses particularités. Par exemple la source de rayonnement britannique, tournée vers la biologie et la pharmacologie, va principalement produire des faisceaux de rayons X durs, bien adaptés à l'étude de la structure atomique de la matière, notamment des protéines. SOLEIL couvrira une gamme plus large, allant des rayons X jusqu'à l'infrarouge en passant par l'ultraviolet, et les rayons X dits « mous » ce qui rendra aussi possible son utilisation en microélectronique, en chimie ou en imagerie, tandis que l'ESRF est axé autour des rayons X encore plus énergétiques. Bien qu'il y ait un certain recouvrement entre les énergies des rayonnements produits par ces machines, on peut parler de complémentarité au niveau des recherches et des analyses possibles avec ces installations.
Le budget total de construction deSOLEIL pour la période 2002-2009 s'élève à 315 millions d'euros. La région Île-de-France y contribuera pour 148,6 millions d'euros, le département de l’Essonne pour 34,3 millions d'euros. La région Centre par ailleurs participe à SOLEIL à hauteur de 5,2 millions d'Euros. La part restante (123.3 M€) sera financée par l’État via les organismes de recherche CEA et CNRS qui assureront aussi les coûts de fonctionnement évalués à 135 Me sur la période 2006-2009.

*Source Optimisée de Lumière d'Énergie Intermédiaire de LURE.

01.Le rayonnement synchrotron, un "parasite" bien utile

C’est en 1947 que le rayonnement synchrotron a été observé pour la première fois. À cette époque, dans la ville de Schenectady, aux États-Unis, des chercheurs de General Electric faisaient circuler des électrons à grande vitesse dans un anneau de deux mètres de diamètre… , en s’arrachant les cheveux car les particules qu’ils étudiaient se comportaient d’une façon imprévue : elles perdaient une partie de leur énergie sous forme d’un rayonnement alors inconnu.
Ainsi les scientifiques ont-ils exploité un principe de la physique selon laquelle toute particule relativiste, c’est-à-dire dont la vitesse est proche de celle de la lumière, 300 000 kilomètres par seconde, produit un rayonnement électromagnétique dit "synchrotron" lorsqu’on courbe sa trajectoire.

Schéma de principe du synchrotron SOLEILLes équipements de base de SOLEIL sont l’accélérateur linéaire, le booster et l’anneau de stockage. Le rayonnement synchrotron est dirigé par des systèmes optiques vers les stations expérimentales. Chaque ligne de lumière constitue un véritable laboratoire de biologie, chimie, sciences de la Terre…
© Synchrotron SOLEIL

Aujourd’hui, pour obtenir ce rayonnement, les chercheurs utilisent d’abord une source d’électrons créés dans un accélérateur linéaire (le LINAC) qui les accélère à 100 millions de volts. Ces électrons sont ensuite transférés dans un premier anneau (le booster) où des impulsions électriques augmentent leur énergie jusqu’à 2,75 milliards d’électrons-volts (ou GeV pour Giga électrons-volts). Ils sont enfin injectés dans un anneau plus grand, l’anneau de stockage - celui de SOLEIL atteint 354 mètres de circonférence - où ils circulent sous forme de paquets (voir schéma)*. Ici, leur trajectoire est tracée et imposée par plus de trois cents aimants (certains d’entre eux mesurent plus de 1m sur 0,80m et atteignent une masse de trois tonnes !), obligeant ces particules chargées - qui se repoussent spontanément - à se regrouper et à suivre une trajectoire circulaire extrêmement précise, au micron près verticalement .

A chaque courbure de leur trajectoire, les électrons produisent ce fameux rayonnement synchrotron. À l’origine, il était considéré comme un effet parasite qui contrariant le déroulement de certaines expériences de physique des particules. Puis les scientifiques ont compris le parti qu’ils pouvaient en tirer. Car cette "lumière" dix mille fois plus intense que la lumière solaire, est un faisceau de photons plus fin qu’un cheveu et très brillant, sorte de scalpel de lumière grâce auquel les chercheurs vont sonder, sans les détruire, les échantillons les plus divers et analyser la matière jusqu’au niveau moléculaire (voir la partie 3).
Ce faisceau est recueilli dans des installations expérimentales appelés "lignes de lumière", composées de trois espaces. Dans le premier, la « cabane optique », le rayonnement est manipulé à l’aide d’instruments optiques, en fonction des besoins des chercheurs. C’est dans le second, appelé la "cabane expérimentale, qu’est placé l’échantillon. Toutes deux sont doublées par des parois de plomb assurant leur étanchéité totale vis-à-vis du rayonnement. Ainsi les scientifiques qui pilotent l’expérience depuis la troisième pièce, et ceux qui circulent dans le hall expérimental ainsi que les visiteurs occasionnels sont-il protégés des rayons X.D’ici 2009, ce sont vingt-quatre lignes de lumières qui entreront progressivement en fonction, les 11 premières étant prévues d’être utilisées dés janvier 2007.

* Pour plus de détails : www.synchrotron-soleil.fr

02.La lumière synchrotron : des propriétés fabuleuses

Si l’on souhaite percer la nature de la lumière, il faut d’abord dissiper un malentendu fréquent. Pour la plupart d’entre nous, la lumière est celle que nous voyons avec nos yeux, la lumière visible. Pour les physiciens, cette définition est trop restrictive. La lumière est une onde électromagnétique, expliquent-ils, dont la nature varie en fonction de la longueur d’onde. Pour prendre une image, la lumière serait comme une vague dont la distance entre deux sommets, la longueur d’onde déterminerait la « couleur ».
Ainsi, le spectre visible de la lumière est défini par le domaine de longueur d'onde compris entre la plus petite longueur d'onde visible dans le violet, environ 400 nm*, et la plus longue dans le rouge 750 nm pour le rouge. De part et d’autre en longueurs d’onde, la lumière est invisible à nos yeux bien que de même nature que la lumière visible : les longueurs d'onde supérieures à 750 nm correspondent à l’infrarouge (puis aux micro-ondes et ondes radio) ; celles inférieures à 400 nm, correspondent au rayonnement ultraviolet ; les longueurs d'onde encore plus courtes caractérisent les rayons X mous puis durs et enfin les rayons gamma. Chacune de ces longueurs d’onde possède ses caractéristiques propres. Par exemple le rayonnement infrarouge présente la particularité d’être émis par les corps chauds (le Soleil, certaines diodes), le rayonnement gamma par des corps radioactifs.
Schéma ondes de lumière synchrotronPour voir à l’échelle de la lumière synchrotron (de l’ordre du nanomètre, soit 1 milliardième de mètre), il faut une lumière ayant une longueur d’onde beaucoup plus courte que la lumière visible. C’est le cas des rayons X qui apportent des informations précieuses sur l’organisation des atomes à l’intérieur de la matière.
© ESRF

La lumière synchrotron, elle, s’étend continûment de l’infrarouge aux rayons X. C’est une plage très vaste pour les physiciens, plus habitués à utiliser dans leurs laboratoires des générateurs de lumière monochromatique, ne produisant que des rayonnements infrarouges, ou que des rayons X, par exemple. Ils disposent donc avec cet outil d’une véritable "fontaine" de lumière aux caractéristiques exceptionnelles.La lumière du synchrotron SOLEIL est en effet particulièrement brillante. Par ce critère, on désigne l’intensité du faisceau, c’est-à-dire le nombre de photons disponibles par seconde et par unité de surface. Or une grande brillance permet d’obtenir une excellente définition d’images tout en réduisant les temps d'exposition, et donc la durée des expériences. À titre indicatif, la brillance du rayonnement synchrotron de SOLEIL est 1012 fois plus élevée que celle d’une lampe à rayons X ( inventée dans les années vingt) et 104 fois plus élevée que celle d’un synchrotron de deuxième génération comme celui de LURE (années soixante-dix).Ensuite, c’est une lumière très peu divergente, ce qui signifie qu’elle se propage dans un cône très petit sous forme d’un pinceau fin. De la lumière concentrée, en somme, comme celle d’un faisceau laser, ce qui permet de sonder les toutes petites zones d'intérêt dans des échantillons et de faire de l'imagerie à l’échelle du micron, voire de quelques dizaines de nanomètres.
Enfin, elle présente la caractéristique d’être pulsée : elle ne parvient pas à jet continu dans les lignes de lumière mais par bouffées rapprochées, comme une caméra ultra-rapide prendrait une foule de clichés les uns à la suite des autres. Ce qui permet de suivre, par exemple, la manière dont évolue une réaction chimique ou la façon dont une molécule se déforme, et ceci en quelques dizaines de picosecondes ( une picoseconde = un millionième de millionième de seconde !).

"La lumière d’un synchrotron n’a que des avantages, commente Jean Doucet, coordonnateur pour l’industrie et les enjeux de société à SOLEIL. Sauf celle d’être transportable."

*1 nanomètre = 10-9 m

03.Un outil vraiment pluridisciplinaire

La plupart des futurs utilisateurs du synchrotron SOLEIL sont déjà connus. Voici des mois, des années qu’ils se sont inscrits pour "réserver du temps" sur cette machine. Pour la moitié ce sont des physiciens et des chimistes. Viennent ensuite les biologistes pour 20% environ et les chercheurs en sciences de la Terre, en sciences de l’environnement qui représentent chacun environ 10 % des utilisateurs. Les dix derniers pour cent sont composés de médecins, d’archéologues, de conservateurs de musée, …
"Avant même son ouverture aux chercheurs, ce synchrotron remporte un vif succès, se réjouit Jean Doucet. Nous devons refuser des projets de recherche tant le nombre de ceux qui nous sont soumis est important." Et pourtant, l’instrument ouvrira 24 heures sur 24, six jours par semaine ! Les chercheurs feront "les trois-huit" et se relaieront donc nuit et jour afin que le synchrotron soit exploité au maximum.
Toile d’araignéeAu Synchrotron de Grenoble (ESRF) les chercheurs étudient le fil au cours de sa fabrication par l’araignée. Leur objectif : imaginer plus tard un polymère qui aurait la résistance d’un fil d’acier et qui serait aussi élastique que le nylon.
© SXC
Les vingt-quatre lignes de lumière qui entreront progressivement en fonctionnement d’ici 2009 ne se ressembleront pas. Elles sélectionneront chacune à leur manière le rayonnement synchrotron pour ne garder que la partie du spectre qui intéresse les expériences qu’elles abriteront, par exemple les rayons X ou les rayons ultraviolets. Ainsi le synchrotron SOLEIL pourra-t-il servir à des usages très divers. Les techniques mises en œuvre ici couvrent la plupart des besoins d’analyse, de caractérisation et de mesures de la matière et du vivant. Prenons un morceau d'aile d’avion dont on cherche à contrôler l'état mécanique de surface pour vérifier qu'il n'y a pas de risque de formation de micro-fissures. Les rayons X très intenses du rayonnement synchrotron seront dispersés au contact de l’échantillon par un phénomène optique appelé diffraction. L’analyse de la manière dont les faisceaux lumineux ont été déviés permettra de connaître l’architecture fine du matériau étudié.

Dans le domaine de la santé, l’identification de tumeurs et l'étude de pathologies osseuses ou de micro-dégradations des tissus minéralisés par les techniques d’imagerie par rayonnement synchrotron sont réalisées avec des résolutions spatiales et temporelles bien supérieures à celles des techniques traditionnelles, permettant des gains en précision et en temps. La lumière de SOLEIL pourrait même être utilisée pour soigner des tumeurs cérébrales. "Certains scientifiques réfléchissent à de nouveaux traitements dans lesquels les patients recevraient des médicaments qui se fixeraient sur les tumeurs puis seraient activés par des doses de rayonnement", explique Jean Doucet. Cette technique va être testée sur l’animal. Peut-être un jour, un synchrotron sera-t-il spécialement construit et dédié au traitement des patients.

Dans le domaine de l’environnement, la détection et la quantification de traces dans des environnements solides, liquides ou gazeux ou la localisation et la détermination de la forme chimique de toxiques présents sur des supports variés (dont les êtres vivants) concourent à une meilleure maîtrise de la gestion des déchets et du devenir des polluants présents dans les écosystèmes. Ainsi, le synchrotron SOLEIL permettra aux fabricants de moteurs de voitures de suivre les étapes des réactions chimiques à l’œuvre dans les pots catalytiques.

Les applications en fait sont infinies. À l’ESRF, le synchrotron européen de Grenoble, les chercheurs étudient le fil au cours de sa fabrication par l'araignée. Ils essaient de comprendre comment les molécules s'organisent les unes par rapport aux autres pour donner des propriétés mécaniques aussi extraordinaires. Objectif : imaginer un polymère qui aurait la résistance d'un fil d'acier et qui serait en même temps deux fois plus élastique que le nylon. L’industrie de la cosmétique s’intéresse, elle, au moyen de mettre au point des couleurs pour cheveux qui "tiendraient mieux" tout en s’éliminant plus facilement. Sans parler des spécialistes de la matière plastique qui cherchent des bouteilles aux parois plus fines et solides, des mousses pour les sièges particulièrement légères et fermes, etc.

Restent tous les chercheurs qui pourraient trouver un bénéfice à employer un tel instrument… mais ne connaissent pas forcément son existence ! Par exemple les conservateurs de musée ou les archéologues. C’est à l’attention de ces deux professions qu’a été créée une "interface patrimoine" au sein de SOLEIL. Baptisée HALO (Heritage and Archaeology Liaison Office, Interface Archéologie et Patrimoine), cette structure s’est fixée pour objectif de contacter et d’informer ces utilisateurs potentiels. Puis de les accompagner tout au long de leur recherche de manière à ce qu’ils tirent le meilleur parti de SOLEIL pour l’analyse des méthodes de conservation et de restauration d'objets du patrimoine et archéologiques. De l’étude des cheveux archéologiques à celle des cosmétiques utilisés par les Égyptiens, en passant par l'authentification de l’origine des objets, il n’est guère d’éléments du patrimoine de l’humanité qui devraient échapper au rayonnement des synchrotrons dans les années à venir !

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