Les synchrotrons

Les sources de rayonnement synchrotron (RS) et les lasers à électrons libres (LEL) génèrent des rayonnements électromagnétiques à large bande extrêmement brillants à partir d‘électrons confinés à l’aide de différentes structures magnétiques et se déplaçant à grande vitesse sur des orbites bien définies. Les LEL sont des sources qui affichent une brillance et une cohérence d’impulsions lumineuses ultra-courtes particulièrement remarquables, avec des longueurs d’onde allant d’un millimètre à quelques nanomètres (par exemple pour les rayons X). Les sources de RS et les LEL sont à l’origine de nombreuses découvertes scientifiques. Actuellement, plus de 60 sources de rayonnement de type synchrotron et 20 sources de type LEL sont en service dans le monde, et d’autres sont en construction ou en phase de planification.

L’AIEA aide les États Membres à renforcer leurs compétences dans le domaine des applications des RS. Elle organise des réunions techniques, des ateliers et des séminaires de formation théorique et pratique spécialement consacrés à ces technologies. Afin de faciliter l’accès des États Membres à une installation de RS, l’AIEA s’est associée à l’entreprise italienne Elettra Sincrotrone Trieste et une installation commune de recherche utilisant la ligne de faisceaux à fluorescence X de cette entreprise a été établie. Cette installation a été conçue pour générer des faisceaux offrant les paramètres nécessaires pour procéder à des mesures de haut niveau en spectroscopie et en microscopie. La ligne de faisceaux est pleinement opérationnelle depuis le début de 2015.

Un usage scientifique et industriel répandu

Les propriétés exceptionnelles des RS, notamment leur brillance, leur large étendue spectrale et leur accordabilité énergétique et de longueur d’onde, leur confèrent de remarquables capacités d’analyse dans le cadre de la caractérisation des matériaux. Associés aux divers modes d’interactions photon-matière, les RS ouvrent la voie à un large éventail de techniques et de méthodes, notamment :

• l’analyse chimique, par exemple la composition élémentaire, la spéciation chimique et l’analyse du site de coordination de l’atome absorbant ou l’identification des groupes et structures moléculaires ;
• l’analyse structurelle, dans le cadre de l’étude des modifications des cristallins de matériaux hétérogènes au moyen de méthodes basées sur la diffraction des rayons X, la diffusion des rayons X aux petits angles et la réflectométrie X ;
• l’étude des propriétés électroniques et magnétiques des surfaces, des couches minces et des interfaces enterrées, au moyen de plusieurs techniques telles que l’émission de rayons X mous, la microscopie de photoémission d’électrons, la spectroscopie d’émission résolue en angle, la microscopie électronique de faible énergie et le dichroïsme circulaire magnétique des rayons X ; et
• la caractérisation morphologique, à savoir la visualisation des détails infimes de structures complexes en deux ou trois dimensions, grâce à la microtomographie et à la tomographie à contraste de phase.

Grâce à ces nouvelles possibilités, les applications du rayonnement synchrotron sont désormais exploitées dans de nombreuses disciplines scientifiques : science des matériaux, recherche en énergie, cristallographie des protéines, sciences de l’environnement, chimie, sciences de la vie ou biologie, microélectronique, sciences géologiques (notamment les études relatives aux matières extraterrestres) et analyse paléoenvironnementale. Les RS sont également largement utilisés dans l’industrie, de la pharmacie à la biotechnologie en passant par la fabrication des automobiles, des semi-conducteurs et des cosmétiques. À ces applications s’ajoutent depuis peu l’accumulation et la conversion de l’énergie dans des matériaux hétérogènes de taille micrométrique ou nanométrique, tels que les batteries, les piles à combustible, les systèmes photovoltaïques et les semi-conducteurs organiques.

Les lasers à électrons libres sont employés dans le cadre d’études sur les propriétés de la matière condensée, les nanomatériaux, les processus moléculaires et atomiques, et les systèmes biologiques. Les impulsions de rayons X de l’ordre de la femtoseconde générées par les LEL permettent en particulier de réaliser des expériences de synchronisation à un seul paquet d’électrons. Ces expériences ouvrent de nouveaux horizons de recherche pour l’étude des processus dynamiques moléculaires et atomiques à une échelle ultra-rapide et à une résolution élevée.

Une liste complète des sources de rayonnement synchrotron est disponible sur le Portail des connaissances sur les accélérateurs de l’AIEA.