Des accélérateurs de particules au laser à électrons libres

Des accélérateurs de particules au laser à électrons libres

PHYSIQUE DES ONDES

ESSAI D'UNE NOUVELLE PHYSIQUE

RUBRIQUE N° 31 DES ACCELERATEURS DE PARTICULES

AU LASER A ÉLECTRONS LIBRES

Par Paul Bouchard Le 03/12/2020

1) INTRODUCTION

Cette rubrique N°31 du blog ''paulpb.eklablog.fr'' est la suite logique des rubriques N°28 et 29 qui traitaient de l'interaction des rayonnements avec la matière, de la propagation de la lumière dans les fibres optiques, de l'optique non linéaire et des ondes particulières que sont les solitons.

Notre manière différente de voir et de traiter l'ensemble de ces problèmes devrait normalement entraîner le rejet par les scientifiques de nos textes qui peuvent être traités de simplificateurs voir rejetés comme simplistes. Je n'espère pas convaincre les sceptiques, mais pour légitimer ces textes face aux perplexes, je précise aux lecteurs de mon blog (36 800 à ce jour), que nos 30 rubriques ont seulement pour vocation le développement de la physique des ondes, à partir des hypothèses primitivement énoncées dans les premiers chapitres de ce blog ''Essai d'une nouvelle physique''.

Les études qui sont exposées dans ce blog montrent que la physique des ondes explique mieux les faits réels que ne le fait la physique standard des particules qui s’est imposée depuis un siècle dans tous les milieux scientifiques. Nos hypothèses de base semblent invérifiables dans l'état actuel des connaissances. C'est sans doute la raison pour laquelle elles n'intéressent pas les scientifiques, ce qui me permet d'étudier en toute liberté d'esprit, et d'exposer mon point de vue sans avoir à répondre à des critiques stériles, mais aussi avec peu de remarques judicieuses, ce qui est un manque regrettable pour la correction de mes éventuelles erreurs ou mauvaises interprétations.

J'ai donc jugé bon, dans la précédente rubrique N°30, d'exposer à nouveau avec plus de détails les hypothèses de base de cette physique des ondes concernant en particulier la nature de l'électron. J'ai précisé également son mode d'implication intra-atomique dans les interactions énergétiques entre lumière et matière, son mode d'action comme onde électromagnétique, ainsi que le mode de production des électrons libres.

Dans la rubriques N°29, nous avons étudié le fonctionnement du laser et son utilisation pour amplifier l'énergie des rayonnements, afin d'obtenir des impulsions lumineuses ultra-brèves et ultra-puissantes. Nous avons vu que des techniques sophistiquées (CPA) ont permis d'utiliser des ondes lumière de haute fréquence, rayons X en particulier, donnant accès à l'étude, à l'échelle atomique, de la structure et des propriétés de la matière. C'est ainsi que l'optique rejoint l'étude du comportement des ondes et des propriétés physiques des matériaux dans un double cadre, celui des hautes énergies (non linéarité) et celui des plus petites dimensions [du nanomètre (10p.-9) distance inter atomique, à l’angström (10p.-10) taille de l'atome, jusqu'au femtomètre (10p.-15) taille approximative d'un nucléon, et au dixième de zeptomètre (10p.-21) taille supposée de l'électron]. Pour bien situer ce domaine de recherche vous devriez relire la rubrique N°22 : ''Physique de la matière condensée, de la supraconduction à la spintronique''.

Pour la physique des ondes, l'effet laser d'amplification des ondes s'applique également aux particules élémentaires que sont l'électron et le positron puisque ce sont des ondes. Dans cette nouvelle rubrique nous abordons ce nouveau domaine qui est celui des lasers à électrons libres. Le site :https://www.refletsdelaphysique.fr/articles/refdp/pdf/2015/02/refdp201544-45p44.pdf

contient un article signé : Éric Collet, Marion Harmand, Marie-Emmanuelle Couprie et Marco Cammarata qui est titré : ''La révolution X-FEL. Des lasers à rayons X pour sonder la matière'' . J'en extrais le texte suivant qui servira de lien entre la rubrique N°29 et la présente :

<< Les études de la structure de matériaux à l’échelle atomique ou moléculaire à l’aide d’expériences de diffraction des rayons X ont profondément changé notre façon d’appréhender l’origine microscopique de leurs propriétés. Les X-FELs (lasers X à électrons libres) sont de nouvelles sources de rayons X, dont les performances ouvrent des perspectives extraordinaires pour étudier les propriétés structurales et dynamiques de la matière. Il est à présent possible d’observer des mouvements atomiques en temps réel, d’étudier des nanocristaux ou encore d’imager des objets très petits comme des virus ou des protéines. >>

2) DÉFINITIONS

Les notions de base indispensables à l'étude de ces lasers à électrons libres ont été très largement définies et étudiées dans les trois précédentes rubriques ainsi que dans des textes plus anciens de ce blog, comme les rubriques : N°9 ''Le laser. Lumière et matière'', N°14 ''Structure et énergie de l'électron'', et le chapitre N°5 ''La création de la matière''. Une courte définition de ces notions est cependant ici de règle pour le cas où ce texte soit lu indépendamment du blog.

* L'électron

Pour la physique des ondes, ''l'électron-positron'' pourrait être l'élément de base constitutif de la matière formé dans le plasma des étoiles naissantes. Ces deux particules jumelles et inverses auraient comme origine l'interférence d'une onde longitudinale très énergétique de type lumière, avec le puissant champ magnétique transversal du disque d'accrétion de l'étoile en formation. Ces ondes seraient constituées de ''substance de l'espace'' et seraient donc en mouvement dans cette substance. Les deux particules inversement polarisées seraient créées par paire, comme dans une série d'ondes tourbillonnaires formées par une étrave de bateau.

La physique des ondes considère réellement que l'électron et le positron sont des ondes, animées d'un mouvement longitudinal de type lumière transportant l'énergie et d'un mouvement transversal de rotation (leur spin) de type magnéto-gravitationnel. Ces ondes ressemblent à deux "vortex", (l'électron -) tournant dans le sens horaire, (le positron +) dans le sens anti-horaire.

Pour la physique des ondes, l'électron et le positron (anti-électron) sont les seules et véritables "ondes électromagnétiques" (ce que ne sont pas les ondes de type lumière). Ces ondes possèdent l'énergie des ondes lumière mais elles ont été polarisées circulairement par le champ magnétique de l'étoile naissante. Ce champ a fourni à l'onde lumière une nouvelle énergie de rotation (spin) conservée par l'onde transversale dite ''onde de structure''. Celle-ci "rigidifie" la première et l'interférence des deux ondes constitue leur nouvelle nature : "particule élémentaire de la matière".

En mouvement l'électron et le positron sont des vortex animés par leur énergie cinétique, au repos ce sont des disques en rotation possédant une énergie potentielle dite de structure ou de masse.

La quantification de l'énergie ainsi que la vitesse de la lumière (c) sont des propriétés de la substance de l'espace dont l'électron et le positron font partie. Toutes les propriétés de la matière sont en correspondance avec l'énergie et se trouvent donc avoir des rapports directs avec le quantum de mouvement élémentaire et avec la constante (h) déterminée par Planck.

La ''charge'' d'une particule est proportionnelle à la charge élémentaire (e) de l'électron-positron. La ''masse'' est une notion abstraite que l'on peut assimiler à un nombre d'électrons de masse élémentaire (m). Le ''spin'' de l'électron est une réalité. La fréquence (radio THF) du mouvement de rotation de son onde de structure est en relation avec la fréquence de son onde énergétique. C'est la même onde qui tourne. Tous les mouvements sont quantiques.

* Les électrons libres d'un matériau conducteur (métal, semi-conducteur, électrolytique ou masse d'air chaud et humide) sont ceux qui ont réussi à passer dans leur atome, de la couche orbitale de valence, à la couche de conduction. Sur celle-ci les électrons sont ''à disposition'' pour se marier par mise en résonance avec un autre atome ou, toujours par mise en résonance, pour s'introduire dans un conducteur qui ''les aspire'' en direction d'un potentiel électrique plus faible.

Cela ne signifie pas que l'électron soit réellement libre puisqu'il retrouve la couche de valence d'un autre atome ou bien prend place dans une file d'électrons interne à un conducteur sous tension. La vitesse de cette file est faible car les électrons ne circulent que très peu dans le conducteur, ils transmettent leur énergie par mise en résonance d'un électron à l'autre. Par contre, le champ magnétique ainsi créé (l'onde de structure des électrons) dont l'effet se manifeste dans et autour du conducteur, se propage (avec l'énergie transportée) à une vitesse relativiste (proche de celle de la lumière).

* Le laser est défini par Wikipédia de la façon suivante :

<< Un laser (acronyme de l'anglais « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation », en français : « amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement ») est un appareil qui produit un rayonnement spatialement et temporellement cohérent basé sur l'effet laser. >>

Cet effet laser et les résultats qui en découlent sont, en théorie, identiques pour tous les appareils ou systèmes d'amplification des ondes, que celles-ci soient sonores, radios ou lumières. Toutes les ondes, quelles que soient leurs fréquences, sont émises, transmises et amplifiées suivant les mêmes principes. Par exemple les différentes parties constituant un instrument musical sont : la source des ondes sonores, (émetteur des vibrations, source), le dispositif de réglage du son (réglage des tons), l'amplificateur-émetteur (caisse de résonance), (Voir le chapitre N°3 de la rubrique N°6). Ces parties se retrouvent dans les lasers qui émettent et amplifient les ondes de type lumière. Les émetteurs-récepteurs d'ondes radio (ondes de type lumière), fonctionnent de la même manière.

Les différences de propagation et d'amplification des divers types d'ondes résident dans leurs fréquences, mais essentiellement dans les milieux dans lesquels ces ondes peuvent se propager. Ces différences sont plus précisément fonction de l'accord de résonance possible entre leur longueur d'onde et la dimension des éléments qui sont mis en vibration ( corps, molécules, atomes, électrons). La structure et les propriétés des milieux de propagation sont également des éléments essentiels (substance de l'espace, air, eau, corps mou ou dur, isolant ou conducteur, diélectrique, plasma).

Nous étudierons dans une prochaine rubrique un nouveau type de laser qui propage des ondes amplifiées dans un milieu plasma. Présentement nous poursuivons le chemin des hautes énergies par l'étude du laser à électrons libres. Ces dernières particules sont pour nous des ondes émises à la fréquence des rayons X dont la puissance, amplifiée par ces lasers, peut être utilisée dans les domaines d'énergie linéaires ou non linéaires. Cette augmentation de l'énergie des particules a été obtenue, depuis un siècle, par une augmentation de leur vitesse dans des ''accélérateurs de particules''. Ceux-ci ont été utilisés pour accroître l'énergie cinétique des particules dans le but principal de les collisionner pour une connaissance plus intime de la matière. Nous présentons ci-dessous ces instruments et nous montrons les limites de cette conception mécanique.

3) LES ACCELERATEURS DE PARTICULES

31) Généralités

<< Un accélérateur de particules est un instrument qui utilise des champs électriques ou magnétiques pour amener des particules chargées électriquement à des vitesses élevées. En d'autres termes, il communique de l'énergie cinétique aux particules.

En 2004, il y avait plus de 15 000 accélérateurs dans le monde. Une centaine seulement sont de très grosses installations, nationales ou supranationales. Les machines électrostatiques de type industriel composent plus de 80 % du parc mondial des accélérateurs industriels d'électrons. De très nombreux petits accélérateurs linéaires sont utilisés en médecine (radiothérapie anti-tumorale). >>

Extraits de https://fr.wikipedia.org/wiki/Acc%C3%A9l%C3%A9rateur_de_particules

Wikipédia indique que le classement des accélérateurs peut s'envisager de plusieurs façons :

* Suivant deux grandes catégories :

Linéaires, où le faisceau de particules traverse une seule fois l'accélérateur.

Circulaires, où le faisceau de particules repasse plusieurs fois par les mêmes sections.

* selon l'énergie: basses énergies : de 10 à 100 MeV ;

moyennes énergies : de 100 à 1 000 MeV ;

hautes énergies : plus de 1 GeV et au-delà du TeV (Téra électronvolt=10p.12 eV).

* selon les applications de l'accélérateur :

Recherche fondamentale. Exploration et compréhension des composants élémentaires de la matière.

Physique nucléaire. Recherche fondamentale sur les particules élémentaires de haute énergie.

Domaine médical, pour le traitement des cancers par radiothérapie, pour la scintigraphie.

Domaine militaire, en particulier pour la simulation des armes nucléaires.

Industrie, tests d'usure, gravures, traitements de surface.

Domaine spatial, pour la protection des rayonnements.

Domaine alimentaire, pour la stérilisation.

La finalité initiale de ces instruments, dont l'origine remonte à 1920, est l'étude de la structure des atomes par accélération et collision de leurs particules. La recherche permanente d'une plus grande énergie cinétique de collision des électrons, et maintenant des ions d'origine nucléaire, a entraîné la construction d'installations de dimensions et de coûts considérables. Il semblerait que la physique standard des particules vienne d'atteindre son objectif initial avec l'obtention supposée du boson de Higgs, clef de voûte présumée du système théorique. Nous avons exposé la position de la physique des ondes sur l'analyse des interactions de particules à la rubrique N°24 ''Étude de la masse-énergie des particules atomiques''. Nous avons montré que, dans la gerbe de traits de lumière obtenue par la collision des particules, on peut voir toutes les sortes de particules que l'on cherche, en conformité de la théorie que l'on a préétablie, ce qui n'est pas une démarche vraiment scientifique.

Même si la physique théorique en cours semble s'être noyée dans le flot des particules, tel que cela ressort des collisions obtenues dans les accélérateurs, même si la course à l'énergie cinétique des électrons apparaît être un leurre étant donné la faible masse de ces particules, même si le gigantisme des appareillages et des structures limite leur développement, la réalisation des accélérateurs de particules est à l'origine d'un considérable progrès dans les relations scientifiques internationales et surtout dans le développement de l'ensemble des techniques qui s'y rapportent.

32) Principes de fonctionnement du cœur des accélérateurs

Les principaux modes de production des électrons libres ont fait l'objet du chapitre N°7 de la précédente rubrique N°30. Rappelons l'utilisation des tubes cathodiques qui fut très importante en télévision, le rôle de l'effet de champs pour les microscopes électroniques, celui de l'effet électrostatique des premiers accélérateurs de particule. Ces divers procédés d'obtention des électrons libres sont utilisés comme source du faisceau d'électrons dans les différents types d'accélérateurs. Cette source est souvent indépendante de l'accélérateur proprement dit, mais elle est généralement liée à un préamplificateur d'onde qui introduit un faisceau d'électrons libres déjà ''énergisés'' dans le cœur même de l'accélérateur. Les premiers accélérateurs de type magnéton ou klystron sont souvent utilisés à cet effet.

Il n'entre pas dans le sujet de cette rubrique d'étudier les différentes techniques employées dans les accélérateurs, d'autant plus que la multiplicité des applications, comme indiqué précédemment, entraîne une diversité de procédures, de matériels et de techniques. Parmi ces techniques, celles qui concernent le cœur des accélérateurs utilisent divers procédés d'accélération, de guidage et de focalisation du faisceau de particules, mais le principe de base de l'augmentation d'énergie reste le même.

<< Des champs électriques continus ou alternatifs à haute fréquence guident le faisceau le long de l'accélérateur à l'aide de déflecteurs électrostatiques ou magnétiques, en même temps qu'ils le focalisent pour empêcher sa divergence (lentilles électrostatiques ou magnétiques). Tout se passe dans un ultra-vide. >> Wikipédia

Le principe de fonctionnement de tous les appareils d'accélération est basé sur l'utilisation de la force dite ''de Lorentz'' qui est définie comme la force subie par une particule chargée dans un champ électromagnétique. Elle est la principale manifestation des interactions électriques et magnétiques observées. Il convient de revenir tout simplement avec Ampère, Œrsted et la règle des trois doigts de la main droite, à la base des lois de l'électromagnétisme qui relient le courant électrique, le champ magnétique et le mouvement ( la force électromotrice).

Pour la physique des ondes cette conception simple de l'électromagnétisme est l'exacte représentation de la nature de l'électron-positron, seule onde électromagnétique à la fois électrique et magnétique, onde énergétique ''structurée en particule'' par une onde magnétique transversale (c'est la même qui ''spine''). Lorsque le faisceau d'électrons libres pénètre dans une ''cavité résonante'' (cavité radio-fréquence) sous influence magnétique contrôlée, au cœur de l'accélérateur, il se produit une interférence des champs d'ondes transversales. Convenablement réglées elles peuvent entrer en résonance. Il en résulte une possibilité de régulation et d'amplification de la fréquence de spin des électrons en mouvement dans l'accélérateur. Corrélativement (rapport gyromagnétique), l'onde énergétique (l'énergie) de ces électrons est modifiée du fait de leur rapport intime (c'est la même onde qui tourne).

Le réglage de la fréquence de rotation (du spin) de l'électron varie des VHF (radio-fréquence) aux MO, celui de son énergie varie corrélativement des MO aux rayons X. Les accélérateurs permettent donc de régler avec précision l'énergie des électrons libres suivant une très large plage de fréquences. Leur accélération (ou même leur ralentissement) n'est donc qu'un phénomène coexistant qui est recherché lorsque il s'agit de collisionner (ou de refroidir) les particules.

L'action d'un champ magnétique extérieur sur notre électron devient une évidence alors que, pour la physique standard des particules, cette action est difficilement explicable sur une boule, même douée de ''charge''. Les effets quantiques affectant la force électromagnétique sont étudiés par cette physique dans le cadre de ''l'électrodynamique quantique'' (comme c'est quantique il n'y a pas lieu de chercher plus loin les explications).

C'est ainsi que l'on peut raisonnablement rapprocher la conception du cœur actif d'un accélérateur de particules de celle d'un refroidisseur-décélérateur Zeeman. Nous avons étudié cet appareil dans la rubrique N°11 ''Le laser atomique. L'atome froid''. L'étude de la très intéressante thèse de Yannick Bidel nous avait permis, sur un cas concret, d'aborder le rôle d'un Zeeman dans le refroidissement des atomes. Une lecture de cette rubrique vous montrera le fonctionnement de ce décélérateur expérimenté dans cette thèse. Dans son principe, le fonctionnement des accélérateurs de particules peut être considéré comme identique, en sens inverse. Dans la rubrique N°21 ''Pour une gestion de l'énergie dans notre écosystème'' nous avons même envisagé l'utilisation du Zeeman associé à la RMN pour réaliser la fusion froide, fusion réalisée à chaud dans la bombe H, bombe que l'on pourrait presque qualifier de ''propre'', si ce n'était la nécessité de son amorçage par la bombe A.

33) Les collisionneurs de particules

Nous revenons maintenant au domaine d'étude des particules élémentaires par collision qui nous avait particulièrement intéressé lors de la rédaction de la rubrique N°24 précédemment indiquée. La course aux hautes énergies a commencé avec la mise en fonctionnement de 1989 à 2000 du LEP (Large Electron Positron collider), grand collisionneur de leptons (électron-positron). Cet accélérateur de particules est circulaire, de 27 km de circonférence. Il a été aménagé sur le site du CERN entre la France et la Suisse. Le LEP qui est le plus puissant collisionneur de leptons jamais construit, a montré les limites de l'énergie cinétique transmise aux leptons du fait de leur très faible masse. Il fut démantelé fin 2000 et remplacé, dans le même tunnel circulaire, par un collisionneur de hadrons le LHC (Large Hadron Collider) mis en route en 2008.

Les hadrons sont des particules composées de leptons (suivant nos hypothèses), constituant les nucléons atomiques. Ce sont des protons, des neutrons, des mésons (quark + anti quark), des parties de proton ou de neutron (brochettes d'électrons ou de positrons suivant nos hypothèses). Ces particules, composées de N électrons-positrons, possèdent donc des masses (M = N x m) bien supérieures à celle (m) des électrons-positrons (particules élémentaires). L'accélération de ces particules permet donc d'atteindre une échelle d'énergie cinétique des particules largement supérieure à celle du LEP.

Wikipédia donne sur : https://fr.wikipedia.org/wiki/Grand_collisionneur_de_hadrons     d’intéressantes indications sur l'avenir du LHC :

<< Huit détecteurs, dont quatre de très grande taille, sont installés sur cet accélérateur. C'est le plus puissant accélérateur de particules construit à ce jour, a fortiori depuis son amélioration achevée en 2015 après deux ans de mise à l'arrêt. Il est même présenté comme le plus grand dispositif expérimental jamais construit pour valider des théories physiques...

Le champ magnétique nécessaire pour courber le faisceau de protons de 7 TeV est de 8,3 teslas. De tels champs magnétiques peuvent être réalisés à l'aide d'électroaimants classiques, mais au prix d'un courant électrique considérable, à l'origine d'un très important dégagement de chaleur. Le seul moyen d'éviter ce problème consiste à utiliser le phénomène de supraconductivité, qui ne se produit qu'à très basse température, quelques degrés au-dessus du zéro absolu (voir rubriques N° 3 et 22).

9 593 électroaimants supraconducteurs, dont 1 232 aimants dipolaires de courbure sont répartis de façon homogène autour des deux anneaux accélérateurs lovés l'un dans l'autre... Des électroaimants quadripolaires assurent la focalisation des faisceaux de particules. Le LHC compte 392 aimants quadripolaires principaux. >>

<< L'accélération se produit par étages (préaccélérateurs) comme au Tévatron. Le LHC reçoit les particules d'une chaîne existante comprenant un accélérateur linéaire série Linac ( Linear particle accelerator)... L'accélérateur linéaire Linac 4 est inauguré le 9 mai 2017. Il mesure 12 mètres de long et il est alimenté par deux bouteilles d'hydrogène pressurisées. L'hydrogène entre dans une chambre à plasma où le mélange avec un gaz de césium transfère des électrons du césium vers l'hydrogène et génère des anions hydrures H-, leur charge permettant de les accélérer. De nombreux tests seront réalisés avant la connexion avec le LHC en 2019. Le Linac 4 participera au projet HL-LHC (HL signifiant « haute luminosité ») qui prévoit de multiplier la luminosité du LHC par 5 d'ici à 2026. >>

<< La ''luminosité intégrée'' représente le nombre d’événements par unité de section efficace sur une durée donnée....La luminosité sert à connaître le temps nécessaire à l'observation d'un nombre déterminé d’événements. Elle permet donc de savoir si une expérience donnée est capable ou non d'observer tel ou tel type d’événements avec une statistique raisonnablement bonne. >>

Notre physique des ondes a adopté dès le début de ce blog une construction de la matière suivant des hypothèses attribuant à l'électron-positron un rôle unique, une nature ondulatoire précise et un fonctionnement intra-atomique déterminé. Ainsi, pour nous, les recherches fondamentales par collision de particules menées dans les accélérateurs perdent leur intérêt. Mais les propriétés et procédures des ondes restant identiques, à haute ou basse énergie et à toutes les échelles, (micro, nano, macro, spatio), leurs études aux extrêmes sont indispensables et peuvent révéler des possibilités d'action sur la matière qui restent encore insoupçonnées. Certaines font actuellement l'objet de recherches intensives comme celle de la transmutation des déchets radioactifs.

<< Les champs d’applications que permettent de couvrir les accélérateurs de particules (qu’ils soient linéaires ou circulaires), (accélérant des leptons ou des hadrons) sont nombreux et variés et touchent quasiment toutes les branches de la science : la physique, la chimie, la biologie, la médecine, la géologie, la cosmologie, l’astrophysique, les sciences environnementales (études sur la pollution ou en agriculture par exemple)… Aujourd’hui, plus de15000 accélérateurs sont en service à travers le monde (on en recensait environ 10000 en 1994). Plus de la moitié de ces accélérateurs sont dédiés à ce que l’on peut appeler globalement les processus de modifications (stérilisation, polymérisation, implantation d’ions, irradiation de matériaux…) Un tiers d’entre eux sont des accélérateurs à électrons pour la radiothérapie. >> Wikipédia

34) Développement médical et industriel des accélérateurs

C'est donc en dehors de la recherche dite fondamentale, qui emploie les accélérateurs comme collisionneurs de particules, que nous indiquons maintenant les principales applications dans lesquelles les accélérateurs montrent actuellement d'immenses possibilités de développement. Il s'agit d'une part de ceux dont les applications actuelles concernent les domaines médical et industriel, d'autre part de ceux dont l'utilisation ouvre un avenir qui apparaît considérable en physique, en chimie et particulièrement en structuration de la matière.

Le domaine médical a généralisé l'usage de nombreux types d'accélérateurs (spécialement les accélérateurs linéaires et les cyclotrons) pour le traitement des cancers.

La radiothérapie externe dirige les rayons X ou même les faisceaux d'électrons vers des tumeurs et des structures corporelles superficielles, des cancers de la peau par exemple.

L’électron-thérapie externe est utilisée contre les mycoses et les métastases.

Boostés en énergie et en puissance par des accélérateurs (des harmoniques s'ajoutent à la fréquence fondamentale), ces mêmes rayons X et paquets d'électrons sont utilisés pour traiter les tumeurs plus profondes (par exemple la vessie, les intestins, la prostate, les poumons ou le cerveau).

<< La thérapie hadronique implique l'utilisation thérapeutique de protons , de neutrons et d'ions plus lourds (noyaux atomiques entièrement ionisés). Par rapport aux autres formes de radiothérapie externe, la protonthérapie est de loin la plus courante, bien qu'elle reste assez rare car elle nécessite un équipement volumineux et coûteux. >> Wikipédia

Dans le domaine industriel l'usage des accélérateurs d'électrons est extrêmement divers et très spécifique, c'est la raison pour laquelle l'implantation d'accélérateurs adaptés à l'industrie est encore peu médiatisée. Pour étudier ce domaine sur internet je n'ai trouvé qu'un article vieux de 30 ans.

Publié le 25/09/1991 par Les Echos et intitulé ''Les accélérateurs d'électrons investissent l'industrie'' cet article de Pierre Loup, montre qu'à cet époque les Japonais se sont spécialisés dans ce domaine. Voici une compilation de textes de cet article dont l'adresse est :

https://www.lesechos.fr/1991/09/les-accelerateurs-delectrons-investissent-lindustrie-953757

<< Il existe une quarantaine de machines industrielles d'irradiation en France, au Japon, le leader mondial, on en recense jusqu'à 120. Explication de cet intérêt nippon ? Les applications de cette technique se multiplient et le marché est prometteur...

* En ionisation agro-alimentaire, par exemple, l'énergie casse les chaînes moléculaires des germes pathogènes détruisant ceux-ci et augmentant les durées de conservation des produits frais...

Le même principe de traitement est employé pour la stérilisation des produits médicaux à usage unique (champs opératoires, blouses seringues...).

* En spécialité des polymères à hautes performances. Le gainage des câbles en changeant d'état sous l'impact des électrons devient plus résistant et supporte les hautes températures sans émettre de gaz toxiques. D'où des applications en électronique, en télécommunication ou dans l'emballage. De même des gainages de tubes composites permettent de remplacer très efficacement les tuyaux en cuivre dans le chauffage et la distribution d'eau chaude des habitations.

* Les manufacturiers de pneumatiques renforcent certaines parties de leurs pneus en les irradiant, gagnant ainsi jusqu'à 20% en matière.

* Des journaux japonais s'équipent d'accélérateurs pour sécher plus rapidement et de manière plus harmonieuse les encres d'imprimerie.

* Des fabricants de meubles et de parquet, comme Parisot en Haute-Saône, étudient l'irradiation pour renforcer les vernis et le bois et éviter les craquages.

Les Japonais possèdent 90% du marché mondial des accélérateurs industriels, (NB il y a 30 ans)... preuve de ces ambitions. Le savoir-faire de Sumitomo dans les accélérateurs (acquis avec l'aide des Français comme Thomson) a permis à la firme de fabriquer le prototype du plus petit synchrotron au monde (les électrons accélérés dans un mouvement courbe émettent des rayons X). Il sert notamment à graver des puces de nouvelle génération, en particulier les mémoires de très haute densité (64 Mbits). La machine de gravure par rayons X, la SOR (Synchrotron orbital ring) est apparemment 10 fois moins volumineuse qu'un synchrotron classique et trois fois moins que la machine d'Oxford Instrument qu'IBM a installée dans son laboratoire new-yorkais. Le marché de ces synchrotrons industriels est estimé à une centaine de machines à 100 millions de francs pièce. >>

4) LES SYNCHROTRONS ET LE RAYONNEMENT SYNCHROTRON

En étudiant les synchrotrons et malgré le retard inhérent à la parution sur internet des thèses les plus récentes, il m'est apparu que leur utilisation ouvre un avenir considérable en physique, en chimie et particulièrement en structuration de la matière. La destination des plus puissants appareils ne serait plus la recherche du maximum de vitesse de particules de plus en plus massiques, axée sur l'obtention de la plus grande énergie cinétique de collision. Les orientations de la recherche sont plus directement expérimentales. Elles justifient de nouvelles implantations puissantes et adaptées.

La physique des ondes pense que, pour pénétrer les secrets de la matière et de l'énergie, il convient en premier lieu de posséder un outil léger mais puissant, opérant en long et en travers, (comme le serait par analogie une perceuse visseuse à percussion), tournant dans les deux sens, réglable par quantum, stable et cohérent, fournissant une très bonne luminosité à tous les réglages. Cet outil est l'électron qui est justement placé au centre de la matière à étudier puisqu'il en est la particule élémentaire de base. Extrait de son atome, dopé en énergie et en puissance par un accélérateur synchrotron, cette particule (qui est une onde), déviée par un champ magnétique ou frottant tangentiellement une cible, émet un rayonnement spécifique à large spectre (rayonnement blanc) polarisé circulairement, c'est le rayonnement synchrotron qui peut aussi servir d'outil. Il éclaire l'échantillon à l'étude, peut le pénétrer sans le détériorer et ainsi explorer les structures chimiques, physiques et énergétiques des matériaux.

Apparu à l'origine comme un rayonnement parasite des accélérateurs synchrotrons, ce rayonnement de freinage de l'électron (bremsstrahlung en allemand) ne fut utilisé comme outil d'étude qu'après 1970, début de la construction des anneaux de stockage des électrons de haute énergie. En effet, ce stockage en paquets ou en continu des particules boostées en énergie, permet un bon réglage de la puissance d'émission de ce rayonnement synchrotron. Celui-ci est alors utilisé comme outil dans les ''lignes de lumière'' qui sont le siège des expérimentations comme nous l'indiquons plus loin.

Ce rayonnement synchrotron est une radiation du même type (onde de type lumière) que celle qui est émis par les électrons intra-atomiques lorsqu'ils retrouvent leur place sur leur orbite après une excitation extérieure. Cependant, à la sortie d'un synchrotron, ce rayonnement possède, en plus de l'énergie et de la puissance fournies par les électrons émetteurs, des propriétés particulières de brillance qui justifient cette nouvelle appellation particulière. La notion de brillance d'un rayonnement permet de qualifier et de quantifier son intensité, donc la puissance de la source, ainsi que la focalisation de son flux permettant une haute résolution spectrale. Plus un rayon est fin et intense, plus il est brillant.

<< La principale différence entre la lumière synchrotron et les rayons X utilisés dans les hôpitaux est la brillance : une source de rayonnement synchrotron est cent milliards de fois plus lumineuse qu'une source de rayons X de l'hôpital. Plus la brillance est élevée, plus la précision de l'image obtenue est grande. >> Wikipédia

Les accélérateurs synchrotrons apparaissent donc actuellement comme les porteurs et fournisseurs des meilleurs outils de recherche dans le domaine essentiel de la structure de la matière et de son énergie interne. C'est pourquoi je vous recommande de lire l'article de l'excellente revue Reflets de la Physique N°34-35 page 18 à 23 dont voici les références sur internet :

https://www.refletsdelaphysique.fr/articles/refdp/pdf/2013/03/refdp201334-35p18.pdf

Son titre est :Le rayonnement synchrotron, une source de lumière dédiée à la recherche

Ses auteurs sont : Marie-Emmanuelle Couprie (1), Jean-Claude Denard (1) Amor Nadji(1)

Laurent Farvacque (2), Gaël Le Bec (2), Jean-Luc Revol (2)

(1) Synchrotron SOLEIL, Saint-Aubin, BP 48, 91192 Gif-sur-Yvette Cedex

(2) ESRF, BP 220, 38043 Grenoble Cedex

<< Les électrons relativistes qui circulent dans les accélérateurs de particules produisent un rayonnement intense. Ce rayonnement synchrotron couvre un domaine en énergie allant des ondes millimétriques aux rayons X durs. Il possède une brillance exceptionnelle, des polarisations linéaires ou circulaires et une structure temporelle exploitable. En France, deux centres de ce type sont en fonctionnement :

* ESRF (European Synchrotron Radiation Facility), situé à Grenoble.

* SOLEIL, ( Source Optimisée de Lumière d’Énergie Intermédiaire du LURE implanté sur le plateau de Saclay, à Saint-Aubin (Essonne). >>

Le LURE est l'ancien Laboratoire d’Utilisation du Rayonnement Électromagnétique à Orsay.

Il existe dans le monde une vingtaine de gros appareils mettant des lignes de lumière synchrotron à disposition des chercheurs. Citons les plus importants. Le Spring-8 au Japon et l'APS aux États-Unis sont deux synchrotrons de troisième génération. En France, nous avons :

L' ESRF de Grenoble << est un accélérateur d'électrons de 844 mètres de circonférence qui permet d'explorer la matière et le vivant à l'échelle de l'atome depuis 1994. Il est financé par vingt-deux pays membres et accueille chaque année près de 7 000 chercheurs. En 1996, la brillance du faisceau est portée à 1020 photons/mm2/mrad2. En 2017 l'installation comptabilise 44 lignes d'expériences (lignes de lumière). L'ESRF est actuellement en fin de pose pour l'amélioration de ses performances. En 2021 il sera le premier synchrotron de quatrième génération à mettre à disposition de ses utilisateurs des rayons X dix mille milliards de fois plus brillants que ceux des appareils radiographiques utilisés dans les hôpitaux. >> Wikipédia

https://fr.wikipedia.org/wiki/European_Synchrotron_Radiation_Facility

Le synchrotron SOLEIL (Source optimisée de Lumière d'énergie intermédiaire du Lure) est situé sur le plateau de Saclay à Saint-Aubin, Essonne. Il est la propriété conjointe du CEA et du CNRS. Inauguré en 2006, ouvert aux utilisateurs en 2006, c'est un synchrotron de troisième génération doté de faisceaux extrêmement concentrés et de dispositifs magnétiques optimisés. Il est composé d'un accélérateur linéaire de type Linac, d'un accélérateur circulaire ''booster'', d'un anneau de stockage de 354 m de périmètre et de 29 ''lignes de lumière'' (43 possibles).

Le site internet de SOLEIL est très complet et fort bien illustré :

https://www.synchrotron-soleil.fr/fr/videos/les-lumieres-de-soleil-vfstf-et-lsf-23

Pour bien comprendre ce qu'est un synchrotron et son intérêt pour les recherches qui concernent les industries du futur, spécialement la structure de la matière, je vous invite à le lire. Je me permets de recopier ci-dessous la page ''Comment fonctionne SOLEIL'' avec ses magnifiques dessins. Ci-après je copie également l'essentiel de ce qui concerne les ''lignes de lumière''.

Comment fonctionne SOLEIL ?

<< Le rayonnement synchrotron est une lumière émise par des électrons ultra-relativistes (c’est-à-dire circulant à une vitesse proche de celle de la lumière dans le vide), de très haute énergie (énergie nominale de SOLEIL de 2,75 GeV) qui tournent dans un anneau de stockage de 354 m de circonférence. Il est émis sous forme d’un faisceau extrêmement fin, tangentiellement à la trajectoire des électrons, lorsque celle-ci est courbée par un champ magnétique (force de Lorentz).

1.Un faisceau d’électrons fin comme un cheveu, émis par un canon à électrons, est d’abord accéléré dans un accélérateur linéaire de 16 m de long : le LINAC. Les électrons atteignent un premier niveau d’énergie : 100 MeV.

2. Après cette première accélération, le faisceau d’électrons est dirigé vers un deuxième accélérateur circulaire appelé Booster qui porte leur énergie à la valeur de fonctionnement de SOLEIL 2,75 GeV.

3. À ce niveau d’énergie, les électrons sont injectés dans l’anneau de stockage de 354 mètres de circonférence (soit 113 mètres de diamètre) et tournent pendant plusieurs heures.

4. Dans l’anneau de stockage (en vidéo), des dispositifs magnétiques : les dipôles ( ou aimants de courbure), les onduleurs ou wiggler (succession d’aimants alternés) dévient la trajectoire des électrons ou les font osciller. Ces derniers perdent de l’énergie sous forme de lumière : « le rayonnement synchrotron ».

5. L’énergie perdue à chaque tour par les électrons en émettant le rayonnement synchrotron est compensée par des cavités radiofréquence.

6. Le rayonnement synchrotron, produit dans les aimants de courbures et les éléments d’insertion (wiggler ou onduleurs), est dirigé, sélectionné et conditionné par des systèmes optiques vers les stations expérimentales au niveau des lignes de lumière.

7. Chaque ligne de lumière constitue un véritable laboratoire de biologie, chimie, sciences de la Terre, ..., instrumenté pour préparer et analyser les échantillons à étudier, et traiter les informations recueillies. >>



Les Lumières de SOLEIL ( voir le dessin des lignes de lumière ci-après)

<< À SOLEIL, les électrons circulent en permanence dans l’anneau de stockage en produisant du rayonnement synchrotron. Lorsque la lumière sort de cet anneau, elle est guidée dans des laboratoires disposés tout autour, « les lignes de lumières ». C’est là que le chercheur vient mener ses expériences. L’échantillon à étudier est placé sous le faisceau lumineux.

Les différents détecteurs installés autour de l’échantillon renseignent alors le chercheur sur la composition, la structure, ou bien les propriétés chimiques, magnétiques, et électroniques de son échantillon.

Cette lumière qui permet d’obtenir tant d’informations, c’est une lumière blanche. Elle contient toutes les couleurs - ou longueurs d’onde - du visible, c’est-à-dire toutes les couleurs de l’arc-en-ciel. Mais elle contient aussi de la lumière non-visible comme les infrarouges dans les énergies les plus basses, ou les ultra-violets et les rayons X dans les énergies les plus hautes.

À SOLEIL, il y a 29 lignes de lumières différentes. Chacune d’elles est spécialisée dans un type d’expérience. Pour cela, elle n’utilise qu’une petite partie de la lumière produite par les électrons, le reste étant filtré. Certaines lignes n’utilisent que les rayons X, d’autres que les infrarouges, d’autres que les ultra-violets.

On peut y analyser des échantillons très divers. C’est pourquoi SOLEIL attire de nombreux chercheurs de tous les domaines scientifiques. >>

Description des lignes de lumière

Le texte suivant est extrait de :

https://eduscol.education.fr/sti/sites/eduscol.education.fr.sti/files/ressources/pedagogiques/12300/12300-le-rayonnement-synchrotron-principes-de-fonctionnement-et-utilisation-ensps.pdf

<< La lumière synchrotron est travaillée avant d’être utilisée par les chercheurs puisqu’un ensemble d’éléments optiques (lentilles magnétiques, miroirs, fentes, filtres, monochromateurs, etc.) est disponible pour venir régler les caractéristiques du faisceau comme sa taille ou sa divergence mais aussi pour sélectionner la gamme de longueurs d’ondes à laquelle les chercheurs souhaitent travailler. En effet, plusieurs énergies de faisceau sont disponibles en sortie d’anneau de stockage, il faut donc pouvoir choisir la gamme de longueurs d’ondes adaptée aux spécificités des différentes expériences. Cette adaptation du faisceau est réalisée dans la première partie des lignes de lumières : la cabine optique.

Une fois que la lumière synchrotron a les caractéristiques nécessaires à l’expérience, elle continue à se propager dans la cabine d’expérience où l’échantillon à étudier est positionné. Les tailles caractéristiques d’échantillons sont généralement inférieures au millimètre. Dans cette cabine, des détecteurs sont placés afin d’enregistrer les données générées par l’interaction entre l’échantillon et les rayons X.

Toutes ces données sont récupérées dans la cabine de contrôle qui sert de poste de pilotage aux scientifiques mais qui est aussi une sécurité pour les protéger de la dose radiative produite par les rayons X pendant les expériences (la dose radiative est l’énergie déposée par unité de masse par un rayonnement ionisant qui est cancérigène si trop subi). Pour certaines lignes de lumière de certains synchrotrons, il est même devenu possible de piloter les manipulations à distance depuis son laboratoire d’origine, avec notamment la mise en place de robots changeurs d’échantillons. >>

Exploitation du rayonnement synchrotron

La course à la plus haute énergie cinétique des particules a abouti à accélérer des protons au LHC jusqu’à une énergie de 7 TeV pour les collisionner. Cette méthode d'étude des particules n'a pas d’intérêt pour la physique des ondes qui, de par ses hypothèses de base, a résolument simplifié et choisi le mode de constitution de la matière. Par contre, l'avenir de la recherche fondamentale aussi bien que l'approfondissement des connaissances en nanoscience et leur utilisation en nanotechnologie nous paraissent liés à la meilleure utilisation possible du rayonnement synchrotron.

Les synchrotrons de troisième génération, actuellement en construction ou en service, sont équipés et généralement utilisés en structure des matériaux, pour la fourniture de rayonnement synchrotron de haute énergie destinée à la recherche fondamentale aussi bien qu’expérimentale.

L'énergie nominale d'utilisation d'un synchrotron est l'énergie des électrons qui circulent dans son anneau de stockage et qui émettent à la demande le rayonnement synchrotron à destination des lignes de lumière. Ces énergies sont par exemple de : 6 Gev pour l'ESRF, 7 Gev pour l'APS, 8 Gev pour le Spring 8. Ces synchrotrons sont particulièrement destinés à la fourniture de rayons X durs de haute énergie.

Par contre les 2.75 Gev d'énergie nominale de SOLEIL le destine à des demandes qui peuvent varier depuis les rayons X jusqu'aux infrarouges lointains et même jusqu'aux micro-ondes pour lesquels un problème de cohérence et de stabilité des paquets d'électrons vient d'être amélioré.

En effet, la qualité et la stabilité du rayonnement synchrotron aussi bien que sa puissance sont des éléments essentiels qui permettent son utilisation pour l'étude de la structure des matériaux. L'énergie des électrons lors de leur utilisation ou de leur émission synchrotron dans les lignes de lumière, doit correspondre exactement aux énergies dont le chercheur a besoin pour son travail sur les échantillons. Utiliser des ondes comme outil est une opération délicate d'autant plus que leur énergie est élevée.

Que l'on emploie comme projectiles des ondes lumières de type synchrotron ou des électrons (qui sont des ondes), le traitement et la mesure des phénomènes ondulatoires correspondent à ceux que nous avons décrits dans les rubriques N°28, 29 et 30 relatifs aux ''Interactions Rayonnements-matière''. Manipuler des ondes, quelle que soit leur énergie, dans des appareils aussi complexes que des boosters et des anneaux de stockage est déjà une performance remarquable. Obtenir en sortie des ondes de haute énergie dans un domaine non linéaire à partir d'impulsions ultra courtes et de grande puissance, filtrer et régler ces ondes dans les lignes de lumière afin d'exécuter les expérimentations demandées avec un haut niveau de cohérence, une grande brillance et une émittance extrêmement réduite, voilà une mission très difficile.

En utilisant à nouveau les textes de Wikipédia, étudions les définitions de ces trois notions qui spécifient les qualités et qui sont les marqueurs des possibilités de chacun des appareils.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Coh%C3%A9rence_(physique)

Ces notions communes à la radiométrie et à la photométrie sont mesurées dans des unités distinctes. La radiométrie est le domaine qui étudie la mesure de l'énergie transportée par les rayonnements donc par les ondes de type lumière dont les rayonnements synchrotrons font partie. La photométrie, domaine de l'éclairage et de la captation d'images, étudie les rayonnements du point de vue de la vision humaine et des qualités nécessaires à l'outil d’expérimentation.

<< La cohérence en physique est l'ensemble des propriétés de corrélation d'un système ondulatoire... On peut parler de cohérence entre 2 ondes ou entre les valeurs d'une même onde à deux instants différents (cohérence temporelle) ou entre les valeurs d'une même onde à deux endroits différents (cohérence spatiale). Le mot ''cohérent'' s'emploie à la fois pour un rayonnement électromagnétique ou pour des particules (dont le comportement ondulatoire a été postulé en 1924 par Louis de Broglie). >>

(Ce grand physicien français est le père de la physique des ondes).

<< Les ondes lumineuses sont souvent le siège de fluctuations aléatoires qui produisent une dégradation du contraste, voire un brouillage complet. On parle alors de cohérence partielle et d'incohérence...La cohérence temporelle d'une onde est liée à la largeur de bande spectrale de la source. En pratique, aucune onde n'est réellement monochromatique...En général, le temps de cohérence de la source est inversement proportionnel à sa largeur de bande... On définit le temps de cohérence de la source par l'inverse de la largeur spectrale. >>

<< Les ondes ont également une cohérence spatiale ; c'est la capacité de chacun des points du front d'onde à interférer avec n'importe quel autre point. En effet, si la source est étendue, il y aura addition d'ondes incohérentes émises par chaque point source, ce qui peut brouiller l'illumination et générer des interférences. >>

L'émittance énergétique spectrale (ou excitance) est une grandeur qui correspond au flux énergétique (ou puissance rayonnée) par unité de surface pour une certaine bande de fréquence. Le flux énergétique est la quantité d'énergie rayonnée par une source pendant une seconde dans tout l'espace. C'est une puissance exprimée en Watt par m² (W.m−²). Si on ne prend que la puissance rayonnée par unité de surface de la source, on obtient donc ce facteur (eT) que l'on appelle l'émittance du corps à la température T et qui s'exprime en W.m-².

Notons qu'en photométrie l'excitence s'exprime en lumen par mètre carré.

La notion de brillance est ancienne, elle a été remplacée par celle de luminance énergétique (radiance en anglais). << Rigoureusement, la brillance est la puissance par unité de surface du rayonnement passant ou étant émis en un point d'une surface et dans une direction donnée par unité d'angle solide. Il s'agit de la fonction de base du domaine radiatif, toutes les autres quantités s'en déduisant. L'unité est le watt par mètre carré et par stéradian (W. m−². sr−1) lorsque l'intensité énergétique est relative à l'ensemble du spectre. >> Notons qu'en photométrie, la grandeur étalon de référence est l’intensité lumineuse mesurée en candela (cd).

Ce paramètre de brillance est maintenant utilisé pour comparer entre eux les synchrotrons et autres puissants appareils producteurs de rayonnements. La troisième génération de synchrotrons est caractérisée par l’installation dans leur anneau de stockage de dispositifs d'insertion qui sont des wigglers ou, plus récemment, des lignes droites d'onduleurs. Ces derniers sont les mêmes appareils, en plus réduits, qui sont disposés dans les accélérateurs linéaires des lasers à électrons libres dont nous allons parler au prochain chapitre. Le but de ces onduleurs est de concentrer le flux dans une bande spectrale étroite et donc de réduire l'émittance. Il est alors possible d'augmenter encore la puissance du flux et d'obtenir une brillance exceptionnelle du rayonnement synchrotron à tous les niveaux énergétiques.

Ce paramètre de brillance caractérise également la qualité et la puissance de l'outil (particules ou rayonnements) utilisé par l’expérimentateur en bout de sa ligne de lumière. Celle-ci doit être adaptée au besoin de chaque recherche et, au fur et à mesure de la progression des travaux demandant de la puissance et de la précision, sont ajoutés sur ces lignes de lumière des dispositifs de performances intermédiaires, des onduleurs d'une technologie plus récente et encore évolutive produisant des faisceaux plus intenses et plus fins. La puissance et la précision des ondes lumineuses en font un outil incomparable mais difficile à maîtriser car la moindre fluctuation aléatoire produit une dégradation du contraste, voire un brouillage complet (cohérence partielle ou incohérence).

<< Il faut distinguer les installations de l'accélérateur synchrotron avec son booster, son anneau de stockage et ses lignes de lumière des équipements optionnels correspondent à différents types d'utilisation et d'utilisateurs. Ceux-ci peuvent faire l'objet d'une construction progressive et d'un financement distinct de celui des installations de base proprement dites. >>

Ce sont ces considérations et la recherche ininterrompue de l'amélioration des performances qui ont amenés les chercheurs à relier des accélérateurs synchrotrons, puis des accélérateurs linéaires, à des dispositifs de type laser. C'est ainsi que des Lasers à électron libres (LEL) ont été imaginés.

Nous allons, dans le chapitre ci dessous, en donner un rapide aperçu, mais son étude ainsi que celle du laser plasma que je voudrais entreprendre me demande un long travail. J'espère pouvoir réaliser cette tâche et en rédiger le résultat dans ma prochaine rubrique.



5) LES LASERS A ÉLECTRONS LIBRES

Il faut considérer le laser à électrons libres (FEL) (en anglais : Free Electron Laser ) comme une amélioration de l'outil de recherche destiné à l'étude de la structure de la matière à l'échelle du nanomètre et même de l'atome. Nous venons de constater les qualités du rayonnement synchrotron issu des accélérateurs synchrotrons dans le cadre des hautes énergies et des fortes puissances, mais nous en avons aussi constaté les limites. Un rapide résumé de ces commentaires exposés dans le précédent chapitre est nécessaire avant d'aborder la définition du laser à électrons libres (FEL).

L'outil mis à la disposition des chercheurs dans les lignes de lumière n'est pas directement l'électron comme il serait possible de l'envisager au risque de détruire l'échantillon, mais un ''rayonnement synchrotron'' que les électrons de haute énergie émettent lors de leur freinage en sortie de l'anneau de stockage des accélérateurs synchrotrons. En choisissant ce type de procédé et l'une des 43 ''lignes de lumière'' du synchrotron SOLEIL, chacun des utilisateurs chercheurs peut travailler dans sa ligne avec un outil adaptable à ses propres travaux. Ce rayonnement possède l'énergie des électrons relativistes stockés dans l'anneau et dispose en effet d'un large spectre qui offre à chaque chercheur la possibilité de travailler depuis l'infrarouge lointain jusqu'au rayons X mous. Ce rayonnement possède une grande brillance mais aussi des défauts inhérents aux difficultés de cohérence des faisceaux d'électrons dans les anneaux de stockage.

Pour tenter d'éliminer les défauts et améliorer toujours plus la brillance, pour augmenter encore la puissance du rayonnement, pour atteindre des énergies jusqu'aux rayons X durs, il s'est avéré indispensable de reconditionner le faisceau d'électrons de haute énergie sortant de l'accélérateur de façon à obtenir des paquets d'électrons de forte cohérence temporelle et spatiale et des pulsations ultra-courtes dont la fréquence puisse entrer en résonance avec celle des rayons X que l'on voudrait obtenir.

Pour les plus basses fréquences il est possible, si cela est nécessaire, d'ajouter en tête des lignes de lumière des éléments d'insertion qui sont des lignes droites d'onduleurs comme nous l'avons indiqué. Mais pour l'obtention des plus hautes fréquences (à partir des rayons X) ces lignes d'onduleurs doivent être bien plus longues. On utilise alors, reliés aux accélérateurs synchrotrons, des accélérateurs linéaires dont la longueur peut atteindre 2 à 3 Kilomètres. On ne se trouve plus vraiment dans le domaine des accélérateurs synchrotrons mais plutôt dans celui des lasers, en l’occurrence dans celui des (X.FEL).

Je me propose d'étudier dans la prochaine rubrique N°32 le laser à électrons libres dans le domaine des rayons X ainsi que le laser à plasma. Cependant, en guise de conclusion et pour mettre en évidence l'actualité de ces appareils et leur intérêt scientifique, je vous indique les principales caractéristiques du plus puissant, le X.FEL européen qui a été mis en route fin 2017 en Allemagne. Les renseignements sont extraits des sites suivants :

https://fr.wikipedia.org/wiki/Deutsches_Elektronen-Synchrotron#Le_projet_de_laser_d'%C3%A9lectrons_libres_European_XFEL_(2015)

et : https://www.desy.de/research/particle_physics/index_eng.html

Le DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) (Synchrotron Allemand à Electrons) est un important centre de recherche en Europe en physique des particules et en rayonnement synchrotron. Ce centre fondé en 1959 à Hambourg est le centre de recherche en physique le plus important, après le CERN à Genève. Ce centre DESY est réparti sur deux sites. Le plus grand à Hambourg (1 879 personnes en 2007) et l'autre à Zeuthen, près de Berlin (216 personnes en 2007). Il comporte plusieurs accélérateurs et synchrotrons de plusieurs générations.

<< En juin 2007 le gouvernement allemand, supporté par une collaboration européenne, a officiellement donné le feu vert pour la construction d'un nouvel accélérateur linéaire le X.FEL. Il mesure 3,4 Km de long et permet de produire des impulsions de rayons X aux caractéristiques intéressantes suivantes :

* L'intensité de chaque impulsion est très élevée, de l'ordre de 1012 photons par impulsion (soit l'équivalent de l'ensemble des photons produits en une seconde dans une machine classique.

* La lumière produite possède une cohérence longitudinale (ou transverse) de l'ordre de 100 %. (la cohérence temporelle dépend du degré de monochromaticité).

* La longueur d'onde de la lumière émise va de 0,4 nm à moins de 0,05nm

* Les impulsions sont très courtes, d'une durée de moins de 100 femtosecondes, leur taux de répétition est très élevé en moyenne 27 000 impulsions sont produites par seconde. De plus ces impulsions ne sont pas produites de manière régulière, mais sous la forme de trains de 3 000 impulsions, à une fréquence de 5 MHz (200 ns entre chaque impulsion) ; les trains d'impulsions sont produits à une fréquence de 10 Hz. C'est 200 fois plus que d'autres lasers du même type.

* L'inauguration a eu lieu en septembre 2017 par 11 pays européens plus la Russie. À cette date, c'est le laser X le plus puissant au monde

* Il est parfaitement adapté à l'étude de la structure des nanomatériaux et à la description des formes tridimensionnelles de biomolécules aussi petites que des virus. >>

Ce chapitre N°5 doit se clore sur ces renseignements fournis par le DESY. Il me reste à poursuivre l'étude du fonctionnement et des possibilités des lasers à électrons libres. Cette rubrique N°31 qui devait traiter ce sujet a ''dérapé'' sur celui des accélérateurs de particules. Je suis loin de le regretter. Mais il me faut éditer ce texte pendant que la Covid qui semble m'oublier s'occupe avec succès de mes contemporains nonagénaires.

Voici le titre prévu de cette prochaine étude qui, je peux toujours l'espérer, paraîtra avec le printemps 2021.

RUBRIQUE N° 32 LE LASER X A ÉLECTRONS LIBRES

                          L' ÉTAT PLASMA INTERACTION LASER PLASMA