• Enfin lalumiètre fut ! (synchrotron soleil 3)

    Je vais terminer la description du synchrotron Soleil en vous parlant des élement magnétiques qui permettent à l’anneau de fonctionner et de produire la lumière appropriée et des emplacements de recherche.

            Les éléments magnétiques :

         A la sortie du booster, nous avons des “paquets d’électrons” d’énergie 2,75 Gev (on peut aussi les produire à 1,5 et 2,5 Gev), qui sont injectés dans l’anneau de stockage. Ces paquets ont une durée de 50 picosecondes (10-12s), toutes les 3 nanosecondes.
        Le faisceau d’électrons a une durée de vie théorique d’environ 40 heures, car les collisions des électrons entre eux et avec le gaz résiduel, malgré le vide très poussé, les font peu à peu disparaître. On réinjecte donc tous les jours une certaine quantité d’électrons dans l’anneau.

        Je rappelle d’abord la forme de l’anneau : un polygone de 32 cotés et le schéma ci dessous indique la position d’éléments magnétiques  :

    http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/plansynchrotron-copie-1.jpg

        Des dizaines d’éléments magnétiques sont en effet utilisés pour courber le faisceau d’électrons, le focaliser et assurer sa stabilité.
        Les électrons étant des particules possédant une charge électrique, un champ magnétique peut agir sur leur trajectoire en les courbant (Vous avez dû apprendre au lycée la “loi de Laplace” : la force exercée est perpendiculaire au champ magnétique et au courant électrique).
        Dans le synchrotron, on rencontre trois catégories d’électroaimants :

    http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/dipole.jpg    Les dipôles ou aimants de courbure :
        Il y en a 32 disposés à l’extrémité de chaque ligne droite et leur rôle est de faire tourner  le faisceau de 11,5 degrés pour qu’il poursuive sa trajectoire dans le coté suivant du polygone. Leur longueur est de 2 mètres et ils sont courbes, constitués en fait de quatre éléments dipôles successifs, ayant chacun 25 bobines d’électroaimants.
        Le champ produit est extrêmement précis pour que le faisceau soit centré sur la nouvelle ligne droite.

    http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/quadrupole.jpg


        Les quadrupôles ou focalisateurs :
        Au nombre de 20, ils ont une forme en 8 et une largeur de 30 à 40 cm.
        Ils assurent la focalisation périodique du faisceau pour empêcher les électrons de diverger et de toucher les parois. Ils pourraient si nécessaire produire aussi une petite défocalisation.
       

    http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/sextupole.jpg



       Les sextupôles ou correcteurs

        Longs de 20 cm environ, ils comportent six électroaimants et  sont fixés à l’extrémité des quadrupôles; ils apportent de petites corrections pour que le faisceau soit parfaitement aligné.
        Les bobinages des électroaimants sont construits de façon extrèmement soignée et précise et  alimentés par des courants dont la valeur est déterminée en permanence car il faut que le faisceau soit exactement dans l’axe des lignes droites et ne touche en aucun cas les parois.
    .     La forme et les caractéristiques du faisceau sont constamment surveillées par des capteurs reliés à un ordinateur qui peut calculer en temps réel les corrections à effectuer.

        A la sortie du booster, pour “injecter les électrons dans l’anneau, un système électromagnétique spécial, de 42 mètres de long, comporte 3 dipôles et 7 quadrupôles. C’est lui qui donne au faisceau sa forme de départ.

            La “lumière synchrotron”

        Les lois de Maxwell nous apprennent qu’un électron qui subit une accélération émet alors de l’énergie sous forme de photons..
        Lorsqu’on courbe sa trajectoire avec un aimant, il subit l’accélération centripète de tout mouvement circulaire et émet donc des photons lumineux, dont le spectre comprend toutes les longueurs d'onde depuis l'infrarouge jusqu'aux rayons X en passant par le visible et l'ultraviolet.

    http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/spectreluminuex.jpg
        L’émission de lumière synchrotron obtenue dans un aimant de courbure peut être comparée à la lumière émise par des phares de voitures dans un virage, et reçue par un observateur immobile. Ce dernier voit une nappe de lumière de diverses longueurs d’ondes : les petites longueurs d’onde sont au centre et les grandes à la périphérie. On peut donc sélectionner une lumière de longueur d’onde particulière grâce à des collimateurs.

        En outre on peut modifier cette lumière émise avec des dispositifs magnétiques spéciaux placés en fin de ligne droite.
        Ils sont formés de deux mâchoires faites de petits aimants permanents juxtaposés qui obligent les électrons à suivre une trajectoire ondulée, un peu comme celle d’un skieur qui godille.
        A chaque ondulation, l’électron subit une accélération et émet de la lumière.
        La lumière émise dépend du type d’élément (onduleur ou wiggler) et de ses caractéristiques.
        Les onduleurs, font onduler les électrons ondulent en s’écartant très peu de leur trajectoire. C’est surtout la brillance du rayonnement émis qui est renforcée, mais certaines longueurs d’onde se trouvent « favorisées » et l’on obtient un spectre de raies.
        Les wigglers. L’amplitude des oscillations des électrons est plus grande et la lumière émise est de plus courte longueur d’onde que celle émise dans les aimants de courbure.

    http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/7.jpghttp://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/onduleur.jpg

           Les Systèmes annexes :

        La propagation des électrons et la survie du faisceau nécessitent un vide poussé, qui élimine non seulement les gazs ontenus dans le tube de propagation du faisceau, mais également youtes les impuretés incles dans les matériaux constitutifs. Il en résulte un installation de pompage très sophistiquée.
        Le vide dans l’anneau est de l’ordre de 10-10 hPa plus faible qu’à 400 000 km de la terre, mais plus que dans le milieu interstellaire (10-15 hPa)

        Un second système essentiel est le système de capteurs de mesure et le système informatique associé, qui permettent de gérer le faisceau et le fonctionnement de l’installation.

       Par ailleurs, les réaction des électrons qui entrent en collision avec les parois créent des rayonnements gamma et par ailleurs on utilise des rayons X pour les expériences scientifiques. Il est donc nécessaire d’avoir en place un système de mesure pour assurer la protection radiologique des travailleurs.

       Enfin, il y a , bien entendu, une impressionnante salle de commande avec de nombreux appareils électroniques et écrans d'ordinateurs.
       

            Les laboratoires d’expériences :

        Les expériences se déroulent dans des “lignes de lumière”, qui sont des laboratoires d’une vingtaine de mètres de long en moyenne. Chaque ligne de lumière est spécialisée pour un domaine bien défini de longueur d’onde.
        Les lignes de lumière sont constituées de trois parties ou cabines :

    http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/experiences.jpg
       
        La cabine optique : C’est la première cabine où arrive, d’un aimant de courbure ou d’un élément d’insertion (onduleur ou wiggler), le faisceau de lumière.     Miroirs et monochromateurs sélectionnent la longueur d’onde nécessaire à l’expérience et focalisent le faisceau lumineux.

        La cabine expérience : L’échantillon à étudier, généralement très petit
    (< mm), est positionné sur son support. Lorsqu’il reçoit la lumière incidente, il a une”réponse” qui est enregistrée par des détecteurs

        La station de travail : où chercheurs et ingénieurs interviennent sur certains paramètres de l’expérience (position de l’échantillon, focalisation, longueur d’onde, etc.) et suivent l’enregistrement des résultats des systèmes électroniques et informatiques.

    http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/2001d01326.jpghttp://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/AcceuilWEB.jpg

    Je ne vous parlerai pas des applications dans ces sites de recherches. Ce serait trop long et cela vous lasserait.

    Mais si certains sont intéressés, ils peuvent aller consulter le site internet  http://www.synchrotron-soleil.fr/IndustrieValorisation/DomainesApplications et naviguer dans ses diverses pages.

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