En quoi consiste le synchrotron “Soleil” au plan technique?
    Nous allons le voir de façon simple en nous aidant du schéma ci-dessous.

    La machine qui va permettre de fournir la “lumière” attendue pour les expériences scientifiques, est un anneau de 354 mètres de périmètre dans lequel on va faire tourner des électrons de grande énergie à une vitesse très proche de celle de la lumière (300 000 km/s.)
    Le diamètre de ce faisceau d’électrons est de l’épaisseur d’un cheveu : quelques dizaines de microns (le millième de mm)
    Donc les électrons en cause feront presque un million de fois le tour de l’anneau chaque seconde et ceci tant que le synchrotron est en fonctionnement (jour et nuit, du mardi au samedi - chaque lundi étant réservé à la maintenance).
    Mais ces électrons il faut d’abord les créer et leur donner la vitesse et l’énergie nécessaire, (2 750 millions d’électron-volts), puis les conserver dans l’anneau. Nous allons voir comment.
    Dans tout le système, le faisceau d’électrons va se déplacer dans un vide extrèmement poussé, (10-8 à 10 -10 hPa), car s’il rencontraient de nombreuses molécules d’azote et d’oxygène de l’air, les électrons les ioniseraient, perdraient leur énergie et seraient déviés vers les parois créant alors dans les parois des rayonnements X et gamma.

          La rampe de lancement des électrons : un accélérateur linéaire :

    L’accélérateur linéaire, le “LINAC”, d’une longueur de 16 m, est le premier maillon de la chaîne. Son rôle est de fabriquer un faisceau d’électrons pulsés d’énergie de 100 MeV .

    Le LINAC débute par un canon à électrons comparable à celui que l’on trouve dans les anciens téléviseurs à tube cathodique : un filament chauffé produit des électrons qu’un champ électrique regroupe en paquets de la taille d’un cheveu. La tension électrique tout ou rien de la grille d’or permet de pulser le faisceau d’électrons :. tension zéro volt : les électrons sont émis; tension –100 V : les électrons restent piégés.
    A titre de comparaison, dans les anciens téléviseurs la tension était de 20kv.
    A la sortie du canon, les électrons ont une vitesse moitié de celle de la lumière.


    Le faisceau va ensuite passer par une section accélératrice qui s’appelle le groupeur. Les paquets d’électrons vont être accélérés en voyageant sur une onde électromagnétique comme un surfeur sur la vague. On peut ainsi accélerer l’onde et porter la vitesse des électrons à une valeur voisine de celle de la lumière.

    Il faut ensuite donner plus d’énergie aux électrons
    Le LINAC comporte deux sections de 3 m delong et 42,5 MeV chacune. Dans chaque section, un générateur d’énergie, appelé klystron, injecte une onde électromagnétique de 3000 MHz. (Cette onde est dite « de très haute fréquence ». A titre de comparaison, la fréquence de l’onde utilisée dans lestéléphones portables est de 900 MHz et celle utilisée dans les fours à micro-ondes de 2500 MHz).
    Les paquets d’électrons, qui continuent de surfer sur cette onde, accumulent au total une énergie de 100 MeV .




           Donner de l’énergie aux électrons dans un “booster” :

    Un “aiguillage particulier va ajuster les paquets d’électrons sortant du linac pour qu’ils puissent être ensuite traités par le booster : 30 % des électrons fabriqués par le LINAC sont injectés dans le booster ; les autres se perdent.
    Cette action ressemble à remplir un tuyau avec un arrosoir !
    Le booster est un petit synchrotron de 157 mètres de circonférence.
En environ une fraction de seconde, l’énergie des électrons va passer de 100 MeV à 2 750 MeV (ou 2,75 GeV) par une accélération due à un champ électrique, en faisant environ 300. 000 tours dans le booster circulaire, en 166 millisecondes.
    C’est pendant cette montée en énergie que les caractéristiques du faisceau vont être affinées : dimensions des paquets et dispersion en énergie par exemple.
    On va ensuite transférer les paquets d’électrons dans un “anneau de stockage” qui va permettre de produire les différentes lumières utilisées par les chercheurs, dont les laboratoires dont situés sur des “tangentes” à l’anneau.
   
           L’anneau de stockage et la ronde endiablée des électrons :

    70% environ des électrons relativistes du booster sont transférés dans l’anneau de stockage de 354 mètres de longueur,pour y tourner avec une énergie de 2,75 GeV pendant plusieurs heures.
    C’est un tube fermé d’environ 5 cm de diamètre constitué d’une succession de lignes droites et de virages (où se trouvent les éléments magnétiques de courbure appelés aussi dipôles ou aimants de courbure),
    Il a en fait la forme d’un polygone à 32 cotés, raccordés par de petits arcs de cercles dans les aimants de courbure.
    Dans les parties droites on trouvera des éléments magnétiques de réglage que nous examineront demain.


    C’est dans l’anneau de stockage où l’on trouve le vide le plus poussé (10^-10 hPa), afin de conserver le plus d’énargie possible au faisceau.
    Pour fonctionner sous ultravide, les chambres qui sont assemblées pour constituer l’anneau subissent divers traitements au cours de leur fabrication afin d’éliminer toute trace de composés organiques et autres composés contaminants. Après ces traitements, le gaz résiduel est composéà 80 % d’hydrogène provenant de la vapeur d’eau contenue au sein même de l’acier inoxydable constituant la chambre à vide, du monoxyde de carbone, du dioxyde de carbone et de méthane.
    Dans l'anneau de stockage de SOLEIL, les électrons ont une durée de vie d’environ 18 heures et il faut donc en réinjecter pour conserver le faisceau..

    Demain je vous parlerai des aimants situés sur cet anneau de stockage qui permettent de conserver le faisceau d’électrons et de la lumière qui va servir aux expérimentateurs.

J’ai été amené à visiter à Saint Aubin sur le plateau de Saclay, à coté de Paris, le “synchrotron  SOLEIL”  et les laboratoires de recherche correspondants, installation extraordinaire qui a été mise en service en 2006 et j’ai pensé qu’un petit compte-rendu vous intéresserait peut être, à condition que je simplifie le plus possible les explications.



    “Soleil” est un sigle qui veut dire “Source Optimisée de Lumière d'Énergie Intermédiaire du LURE”, le LURE étant le laboratoire de recherche qui a précédé Soleil, mais cela ne vous apprend pas grand chose.
    SOLEIL, son nom est évocateur, car c’est une source de lumière extrêmement puissante (ponctuellement 10 000 fois plus puissante que notre soleil), qui permet d’explorer la matière afin de mieux connaître sa structure et ses propriétés. Mais c’est non seulement de la lumière “visible”, mais surtout des ultraviolets et rayons X (donc plus énergiques).
    Plus concrètement, c’est un centre de recherche au service de nombreux chercheurs, mais aussi de l’industrie, dans de nombreux domaines.

    Dans un anneau d’un peu plus de 100 mètres de diamètre et 354 mètres de circonférence, des électrons de très haute énergie sont soumis à l’action de champs magnétiques pour courber leurs trajectoires. Ils perdent alors de leur énergie, libérée sous la forme d’un rayonnement lumineux, de l’infrarouge aux rayons X, en passant par les ultraviolets et la lumière visible.



    Dans les divers emplacements de recherche, les photons émis viennent frapper un échantillon (objet, matériau, cellules vivantes, surface…) et permettent ainsi d’étudier d’une part sa géométrie en surface ou en volume, et d’autre part ses propriétés physico-chimiques.
    Sonde exceptionnelle pour étudier la structure de matériaux, Soleil est notamment utilisé en physique, pour l’étude des propriétés électroniques et magnétiques,  et fait progresser les recherches fondamentales et appliquées, par exemple vers une nouvelle électronique et le stockage magnétique d’informations à ultra-haute densité.
    En médecine et en biologie, il est utilisé pour la recherche de nouveaux médicaments, l’imagerie des vaisseaux sanguins, des tissus osseux ou des constituants de la cellule.
    La chimie profite aussi de cette technologie de haut niveau : détection de substances polluantes dans l’environnement, optimisation du fonctionnement des pots catalytiques des voitures, élaboration de nouveaux matériaux.....
    La géophysique bénéficie également des performances de cet outil, pour approfondir la connaissance de la structure des matériaux du manteau terrestre.
    L’étude d’objets d’Art et du Patrimoine permet de caractériser leur composition et par exemple de vérifier l’authenticité de tableaux de maîtres.
    Dans le prochain article, je vous expliquerai comment on produit ces rayonnements.

    “Soleil” est une société civile, dont les deux actionnaires sont le Centre National de Recherche Scientifique (CNRS) et le Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), mais elle est aussi aidée par la région Ile de France.
    Elle emploie 350 personnes dont 80% sont des personnels de haut niveau, chercheurs, ingénieurs et techniciens. et en outre une cinquantaine de doctorants ou post-doctorants.
    De plus, près de 2000 scientifiques extérieurs viennent chaque année faire des expérimentations, de France et de l’étranger, du monde de la recherche public et privé, et de l’industrie.

    Soleil a été implanté sur le plateau de Saclay car l’anneau du synchrotron doit être d’une stabilité exceptionnelle et la géologie du plateau permettait d’assurer cette stabilité (à grand renfort de béton et de piliers enfoncés dans le sol; la dalle de béton ne doit pas se déformer de plus de 0,1 mm dans le temps)..
    Il est implanté à coté du centre du CEA et près des grandes écoles regroupées sur le plateau et de la faculté d’Orsay, ce qui représente une concentration favorable au plan scientifique.

     Il existe d’autres synchrotrons dans le monde et en Europe (cf la carte ci contre) et notamment à l’ERSF, en France à Grenoble, qui fonctionne depuis 1994.
    L’ESRF (European Synchrotron Radiation Facility), auquel la France contribue à hauteur de 25%, ne permettait malheureusement pas de couvrir l’ensemble des besoins de la communauté scientifique française.
    Le synchrotron SOLEIL apporte donc une seconde source de rayonnement synchrotron de très haute technologie.

    Je vais essayer de vous décrire l’installation dans mes deux prochains articles, le plus simplement possible, et avec des images, pour que, même si vous n'avez pas de connaissances dans ce domaine, vous sachiez comment fonctionne ce synchrotron..

     Aujourd'hui ce ne sera pas un article météo, mais des photos particulières :

     Un arc-en-ciel de feu circulaire et horizontal se forme lorsque le soleil et certains nuages se rencontrent accidentellement au bon moment et au bon endroit.
    Les cristaux à l’intérieur des nuages, réfléchissent la lumière des diverses longueurs d'onde du spectre de lumière visible, mais seulement dans certains dispositions géométriques et ils la dispersent comme de minuscules prismes, la décomposant dans l'espace, en les diverses couleurs élémentaires.
    Comme il est rare que toutes ces conditions soient réunies simultanément, il y a très peu de photos de ce phénomène remarquable qui peut prendre des allures très particulières et inattendues.

     Avec leur aspect sinistre, Les nuages "mammatus" annoncent souvent un orage violent ou un évènement météorologique et des températures extrêmes.
    Principalement composés de glace, ils peuvent s’étirer sur des centaines de kilomètres dans chaque direction et des formations différentes peuvent rester statiques et visibles pendant dix à quinze minutes.

     Enfin quelques images de nuages lenticulaires  qui se forment quand le vent accélère tandis qu’ils sont en train de se déplacer autour d’un large objet comme une montagne.
Ces nuages ont la réputation d’être de "mystérieux objets volants non identifiés" ou leurs camouflages.

     J’ai toujours aimé voler en avion au dessus d’une “mer de nuages”; je trouve cela beau  et j’ai eu l’occasion de voir des photos assez extraordinaires de nuages et cela m’a donné envie de faire deux  articles sur ce sujet.

     L’océan, les mers et les lacs, les fleuves et rivières, laissent d’évaporer leur eau, et la vapeur d’eau, plus légère que l’air, monte dans le ciel jusqu’à ce qu’elle rencontre des couches froides qui la transforment alors en fines gouttelettes ou en petits cristaux de glace. Ce sont des nuages.
    Le refroidissement peut également provenir de la simple présence du sol, dont la température diminue rapidement lors de la tombée de la nuit ou du fait que le nuage doit monter en altitude en raison du relief terrestre.
    En général ces gouttes ou cristaux ne se forment pas spontanément et il faut que de fines poussières ou particules servent de “noyaux de condensation”.
    Les gouttes d’eau ou les cristaux de glace sont de très petites tailles, de l’ordre de 10 microns (1/100ème de mm) et forment comme un brouillard.
     Chaque m3 de nuage contient entre 0,5 et 5 g d’eau, et un gros cumulonimbus d’orage, qui s’étend sur quelques km carrés et culmine vers 8000 m d’altitude, peut contenir plus de 100 000  tonnes d’eau.!
     Par ailleurs la valeur de la pression atmosphérique a aussi une influence car plus la pression est basse, plus l’air peut contenir de vapeur d’eau, ce qui explique que l’on a davantage de nuages lorsque la pression est basse que dans une zone de hautes pressions.
     Les gouttellettes d’eau ou de glace diffusent toutes les longueurs d’onde de la lumière dans toutes les directions. La composante réfléchie est donc blanche et les nuages apparaissent blancs s’ils sont éclairés par le soleil (par exemple vu de dessus en avion).
     Mais si le nuage est très épais, les rayons du soleil ont du mal à atteindre le sol, et la base du nuage est alors grise, voire très sombre proche du noir, mais aussi quand ils sont dans l'ombre d'autres nuages.

    La pluie, la neige, la grêle : 
    Dans un nuage chaud, les gouttes d'eau grossissent par condensation de la vapeur d'eau qui les entourent et fusion avec d'autres gouttelettes. 
    La taille des gouttes varie du dixième de mm à quelques mm (aucune goutte ne dépassant les 3 mm, au-delà elle explose). 
    Quand elles sont trop lourdes (environ 0,5 mm de diamètre) pour être soutenues par le courant ascendant, elles tombent, formant ainsi une pluie.
    Dans un nuage froid, les gouttelettes se transformeront en cristaux de neige et de glace qui grossiront par condensation des gouttes surfondues les entourant. Ils finiront eux-aussi par tomber en capturant des flocons plus petits pour augmenter leur diamètre. 
    Lorsqu'ils passent dans de l'air au-dessus du point de congélation, les flocons fondent et continuent leur croissance comme les gouttes de pluie des nuages chauds

    La figure ci dessus montre les différentes sortes de nuages dont les noms furent attribués en 1804 par Luke Howard, et leur répartition habituelle en altitude :

A haute altitude

   Les cirrus, effilochures en haute altitude, sont des nuages de beau temps qui viennent en général avec un front chaud.

  Les cirrocumulus, petites taches dans le ciel sont souvent l’annonce d’un front froid et d’une perturbation à venir.
    Mes enfants les appelaient "les petits moutons".

    Les cirrostatus forment un voile presque continu et en général il annonce une dépression et donc une perturbation.




A moyenne altitude


    Les altocumulus ressemblent aux cirrocumulus, mais plus bas et plus fournis, ils ressemblent à de grands champs de vagues moutonneuses ou à l'empreinte de la marée sur les plages.
Ils annoncent souvent des nuages d’orage.

    Les altostratus, sont de vastes couches grises en strates, sans formes bien définies. C’est un nuage stable qui peut annoncer une perturbation mais faible.




A basse altitude
   

    Les strato-cumulus  sont de larges masses nuageuses sombres et arrondies. Les strato-cumulus donnent rarement de la pluie, en général assez fine, et se rencontrent surtout dans les ciels de traîne, à la fin d'une perturbation.




 

   Les stratus sont les nuages bas, noirâtres, de temps “bouché” qui donnent souvent des pluies fines, du “crachin”. Ce sont aussi l’hiver des nuages de neige.





Les multi-niveaux




    Les cumulus sont de grosses boules de coton blanches qui se promènent comme des ballons dans le ciel. Il est rare qu’il pleuve sous eux.






    Les nimbostratus sont des nuages stratiforme d'extension verticale importante, formés de plusieurs couches stratifiées sans forme définie et de couleur gris foncé; ils produisent des précipitations modérées mais sur de grandes superficies.


    Les cumulonimbus sont les nuages d’orage, qui présentent la plus grande extension verticale. La base se situe de quelques centaines de mètres à 2 000 mètres du sol et le sommet à des altitudes allant de 8 000 à 18 000 mètres et ressemble à une enclume,
    Ils sont en général associés à des vents forts et amènent des averses de pluie violente et de grêle


    Dans le prochain article nous verrons en image des nuages lenticulaires et mammatus assez bizarres et divers arcs en ciel.

      Quand j’étais petit gosse, je m’étais passionné pour Jules Vernes et ses romans, qui n'intéressent plus les jeunes aujourd’hui car la science a fait trop de progrès.
    Une aventure m’avait frappée dans un de ses romans Michel Strogoff, qui lorsqu’on lui passe devant les yeux pour le torturer et le mettre hors d’état de remplir sa mission, la lame d’un sabre chauffée au rouge, est sauvé de l’aveuglement grâce aux larmes qui lui viennent en pensant à sa mère… Mon grand père m’avait expliqué que la vaporisation progressive des gouttes de larmes avaient suffisamment fait baisser la température au niveau de la cornée et que c’était peut être possible (à condition qu’on ne laisse que très peu longtemps  le sabre devant les yeux).



    Comme sans doute vous tous, j’ai mis sur la cuisinière très chaude de ma mère des gouttes d’eau (aujourd’hui sur une plaque électrique). et elle se met à tourner sur elle même et à se promener presque sans frottements, comme un aéroglisseur sur le coussin de vapeur qu’elle produit et si on arrive à la piéger, il est possible d’observer des vibrations dans la goutte, qui lui donnent des formes spectaculaires.
    Et quand deux gouttes se rencontrent, soit elles rebondissent, soit elles fusionnent et la goutte formée entame une ronde sur elle même.
    J’ai même fait la bêtise au lycée de mettre sur une plaque de métal une goutte d’azote liquide, ce qui, compte tenu de la différence de température encore plus grande, est encore plus spectaculaire.
    Ce phénomène, peut être le savez vous, s’appelle la “caléfaction”  (du latin calefacere : chauffer).
    J’avoue que, dans ma jeunesse j’aurais aimé avoir des explications sur ces phénomènes.

    Il m'arrive d'avoir des contacts avec des chercheurs et aussi avec des élèves d'écoles d'ingénieurs ou scientifiques et en particulier certains de l'Ecole Normale Supérieure de la rue d'Ulm, à Paris.

    Il y a dans cette école des travaux pratiques extraordinaires.
    Vous avez une semaine seulement pour les faire et il vous faut choisir un sujet peu connu et  absolument apporter quelque chose de plus, de nouveau.
    Bien sûr vous choisissez à l’avance, vous réfléchissez à ce que vous allez faire, vous rassemblez le matériel nécessaire, vous pouvez faire des calculs théoriques.
    Mais faire du nouveau sur un sujet pointu en 5 jours, c’est extrêmement difficile.
    Bien sûr on ne trouvera pas des choses révolutionnaires en 5 jours et cela ne servira pas pratiquement beaucoup. Mais ce n’est pas le but : l’objectif est de vous former à la recherche et pas à chercher, mais à trouver.    
    Il faut essayer de faire une théorie, de prévoir les résultats de ses expériences, puis de les réaliser, de critiquer les modes opératoires, les hypothèses et approximations faites, d’apprécier la précision des mesures par des calculs d’erreurs et d’en tirer des conclusions sur l’explication et les lois des phénomènes        
   Et j’ai trouvé cela passionnant.

    Pour l’un de leurs TP ils avaient choisi d’étudier ce phénomène de caléfaction.
       
    Ils filmaient avec une caméra des gouttes de diverses dimensions en mouvement, mesuraient  la décroissance de leur diamètre par évaporation ainsi que l’épaisseur de la couche de vapeur.
    Ils ont étudié le rebond sur des parois ou les chocs des gouttes entre elles et ils les ont même mises sur une plaque vibrante.
    Je ne vais pas vous entraîner dans leurs calculs et leurs expériences rassurez vous.
    Juste quelques photos :



    Ils ont montré que les petites gouttes étaient presque sphériques, alors que les gouttes plus grosses prenaient la forme aplatie d’une galette presque circulaire, et d’épaisseur presque constante.
    Et sur la plaque vibrante les petites gouttes sphériques prennent la forme d’étoiles dont le nombre de branches est d’autant plus grand que la goutte est plus importante tandis que les grosses gouttes galettes ont des bords dentelés et une surface rugueuse comme sur la figure ci-dessous.


   
    J’ai assez bien compris leur étude physique et mathématique et au fond, ils ont réalisé une de mes aspirations d’ado : comprendre la caléfaction des gouttes d’eau que je m’amusais à faire danser sur la cuisinière de maman, qui n’était pas très contente de ce jeu, car elle avait peur que je me brûle !