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Dossier : Rayonnement synchrotron - de Frascati à Soleil (1963-2013)

Les origines du rayonnement synchrotron

The origins of synchrotron radiation
François Baudelet
p. 8-14

Résumés

Les premiers synchrotrons accéléraient des protons pour la physique nucléaire. Ensuite ils furent utilisés pour accumuler et accélérer des électrons et des positrons, afin de réaliser des collisions, pour la physique des hautes énergies. Le positron est l’antiparticule de l’électron. C’est à ce moment que les synchrotrons se révélèrent être de puissantes sources de rayonnement électromagnétique qui furent depuis utilisées pour l’étude de la matière. Aujourd’hui des synchrotrons de plus en plus nombreux permettent l’étude de la matière avec des résolutions spatiales et temporelles extrêmes.

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Texte intégral

Prolégomènes

1Le rayonnement synchrotron est un rayonnement électromagnétique émis par des particules chargées soumises à une accélération centrale.

2Ce phénomène est à rapprocher de l’émission d’une antenne classique. Dans celle-ci, l’application d’un courant électrique oscillant provoque des variations de la vitesse des particules porteuses de charge qui composent ce courant. Ces particules chargées sont donc soumises à des accélérations. Depuis les travaux de Joseph Larmor en 1897, nous savons qu’elles perdent une partie de leur énergie en émettant des ondes électromagnétiques. Dans les antennes du quotidien, ce sont des ondes radio qui sont émises.

3Dans le cas des synchrotrons, les particules sont soumises à une accélération centripète constante et sont relativistes : elles ont une vitesse proche de celle de la lumière. Elles émettent des ondes électromagnétiques situées entre l’ultra-violet et les rayons X de hautes énergies.

4Il est difficile de fixer le point de départ de l’histoire du rayonnement synchrotron. Des jalons utiles peuvent être :

  • les premiers travaux de Maxwell [1] considéré comme fondateur de l’électromagnétisme (vers 1856) ;

  • le premier calcul de l’énergie rayonnée par une particule en mouvement sur une trajectoire circulaire par Alfred Marie Liénard (1898) [2] ;

  • la première mise en évidence expérimentale du rayonnement synchrotron en 1947 [3].

Les premières réalisations

5Les premiers dispositifs construits pour accélérer des électrons sur une orbite circulaire furent les bêtatrons. Une particule bêta est le nom donné à un électron de radioactivité, et par extension, à un électron accéléré. Les premiers bêtatrons sont apparus dans les années vingt quand les physiciens se sont aperçus qu’ils pouvaient créer des sources intenses de rayons X en dirigeant le faisceau d’électrons vers une cible appropriée. Des bêtatrons commerciaux sont toujours utilisés à cet effet. Le premier bêtatron qui fonctionnait correctement était une machine de 2,3 MeV construite par Don Kerst et Bob Serber de l’université de l’Illinois en 1941 [4] ; d’autres bêtatrons suivront et atteindront des énergies jusqu’à 100 MeV [5]. Du coté soviétique, Isaak Pomeranchuck et Dmitri Ivanenko prédisent les pertes d’énergies dues à l’émission de radiations dans les bêtatrons de hautes énergies. En d’autres termes, ils prédisent le phénomène de rayonnement synchrotron en laboratoire [6]. Ils montrent que l’énergie maximale des électrons accélérés dans les bêtatrons ne peut pas dépasser 0,5 GeV en raison des pertes par radiations. Ces pertes seront vérifiées expérimentalement par John Blewet dans les laboratoires de la General Electric (GE). En reprenant les travaux de Liénard et Schott, ce dernier prédit également une émission de la radiation vers l’avant dans un cône étroit. Cette émission se produisait dans le domaine de l’infrarouge lointain et du visible et aurait dû être la première visualisation du rayonnement synchrotron en laboratoire. Malheureusement la chambre à vide du bêtatron 100 MeV était opaque et l’intérêt de l’époque se portait uniquement sur l’accélération des particules, non sur celui de la production de ce rayonnement [7].

6À la course des bêtatrons vers les hautes énergies succèdent les premiers développements du synchrotron. Le premier à proposer ce nouveau type d’accélérateur est Marcus Oliphant, dont l’idée est d’accélérer les particules grâce à une cavité radiofréquence [8] [9]. Lors de leur circulation en orbite fermée, les électrons passent dans une cavité où règne un champ électrique oscillant. À chaque passage, le champ électrique est orienté de manière à accélérer les particules, il y a synchronisation entre la fréquence de révolution des particules et celle du champ électrique de la cavité. L’idée d’Oliphant est validée sur le plan théorique par Vladimir Iosifovich Veksler en 1944 [10] et Edwin McMillan en 1945 [11] qui montrent, de manière indépendante, que la période orbitale des synchrotrons ou des cyclotrons peut être rendue stable si les champs électromagnétiques et leurs fréquences sont correctement ajustés en tenant compte de l’accroissement de masse des particules relativistes. Veksler et McMillan recevront ensemble le prix « Atoms for Peace Prize » en 1963 pour leurs travaux.

7Ceci ouvrit la voie aux premières réalisations. Aux États-Unis, deux compétiteurs tentèrent d’être les premiers à faire fonctionner un synchrotron qui accélérait des électrons, McMillan en construisant ex-nihilo une machine de 300 MeV et les laboratoires de la GE en bâtissant une machine de 70 MeV à partir de pièces d’un bêtatron. Finalement les premiers chercheurs qui firent fonctionner un synchrotron à électrons furent les anglais Goward et Barnes à partir d’un bêtatron modifié ; le bêtatron saturait à une énergie de 4 MeV, mais l’ajout d’une radio fréquence permettait de porter l’énergie à 8 MeV grâce à l’accélération synchrotron supplémentaire [12]. Du coté soviétique, les travaux de Veksler furent d’abord appliqués à un autre type de machine : le synchrocyclotron. Le démarrage d’un synchrotron de 30 MeV est cependant mentionné par B.S. Ratner en 1948 [13].

8Le synchrotron anglais avait été le premier à fonctionner, mais, aux États-Unis, une grande première attendait l’équipe de la GE un ou deux mois plus tard.

Le premier rayonnement en laboratoire

9La chambre à vide du synchrotron de la GE était transparente et les opérateurs surveillaient la présence éventuelle d’étincelles lors du fonctionnement. C’est ce qu’ils crurent d’abord voir le 24 avril 1947, mais les jauges indiquaient un vide correct de la chambre, incompatible avec des étincelles. Cette lumière changeait de couleur en fonction de l’énergie injectée : c’était la première visualisation du rayonnement synchrotron en laboratoire [14]. Les caractérisations du rayonnement synchrotron seront ensuite menées plus avant aux États-Unis à la GE et en Union soviétique à l’Institut Lebedev de Moscou. Très peu d’utilisations de ce rayonnement seront accomplies avant les années soixante. Nous n’entrerons pas ici dans le détail de ces premières tentatives. Elles seront illustrées dans deux articles du présent dossier : « Clin d’œil d’un expérimentateur » par Henri Ostrowiecki et « Frascati : le rôle du Laboratoire de chimie physique dans les débuts de l’utilisation du rayonnement synchrotron » par Christiane Bonnelle et Pierre Dhez. Ces contributions traitent du développement du rayonnement synchrotron en France et en Italie.

Les premiers géants

10Les premiers synchrotrons accéléraient des électrons, les machines suivantes seront des accélérateurs de protons dépassant le GeV. Après la seconde guerre mondiale et ses tragédies nucléaires, les états suffisamment avancés essayent, sans mettre trop de connaissances en commun, de caractériser et de maîtriser l’énergie contenue dans les noyaux atomiques. L’un des moyens pour cela est d’accélérer des protons et de bombarder les noyaux des atomes.

11En 1943, Marcus Oliphant avait déjà fait une proposition de construction d’un synchrotron à protons, mais sans donner d’assurance que la machine fonctionne. Lorsque la condition de stabilité des orbites a été établie en 1944 (voir le paragraphe sur les premières réalisations), la proposition a été ressuscitée et la construction d’une machine qui pourrait dépasser 1 GeV a été lancée à l’université de Birmingham. Cette université avait pour objectif de construire la première machine, toutefois, les fonds étant limités, celle-ci n’a pas démarré avant 1953. Les Britanniques ont été précédés par le Laboratoire national de Brookhaven, qui a réussi à lancer la construction de son Cosmotron de 3 GeV en 1952, et à le rendre pleinement opérationnel en 1953. Un autre synchrotron, le Bevatron, en 1954 à Berkeley, atteindra 6 GeV. C’est là que l’antiproton, qui est l’antiparticule du proton, fut découvert en 1955 par Emilio Segré et Owen Chamberlain [15] [16]. Les synchrotrons, en URSS, ont suivi des développements similaires à ceux de l’Ouest. Le Synchro-phasotron de 10 GeV à Doubna surpassa finalement le Bevatron de 6 GeV en 1957 et resta la machine la plus puissante jusqu’au démarrage du ProtonSynchrotron de 25 GeV au CERN en 1959. En France le synchrotron à protons Saturne de 3 GeV du CEA a fonctionné en 1958 et a permis d’acquérir l’expertise de ces machines, ce qui concourra à l’émergence ultérieure du rayonnement synchrotron à Orsay. Aujourd’hui les machines du CERN accélèrent des particules dans un anneau de 27 km de circonférence et atteignent une énergie de 7 TeV : il est prévu de porter cette énergie à 14 TeV.

12Les anneaux à protons ne sont pas de bons candidats pour l’émission de rayonnement synchrotron à cause de la grande masse des protons. Cependant leur développement a permis d’établir de précieux principes de fonctionnement qui ont servi ensuite aux synchrotrons à électrons. C’est le cas, par exemple, de la focalisation des paquets de particules dans les chambres à vide par divers éléments magnétiques qui agissent sur les particules chargées comme le font les lentilles sur la lumière en optique ; on nomme cela « la focalisation forte ».

Les accélérateurs d’électrons et de positrons en France et en Europe

13La première réaction nucléaire réalisée par Ernest Rutherford en 1919 consistait à envoyer des particules alpha, issues d’un corps radioactif, sur de l’azote. Les particules alpha sont des atomes d’hélium ionisé, expulsés lorsque certains atomes se cassent spontanément ; c’est la radioactivité alpha, découverte à la suite des travaux d’Henri Becquerel en 1896 [17]. En 1924, lors d’un séjour à la Sorbonne où il assistait à un séminaire de Marie Curie, Van de Graaff eut l’idée d’utiliser des particules chargées accélérées. Deux types d’accélérateurs, les Cockroft-Walton à partir de 1932 et les Van de Graaff en 1934 permirent de réaliser les premières réactions nucléaires et donnèrent le pouvoir de modifier les atomes en les bombardant avec des particules sans posséder a priori d’éléments radioactifs. En outre, l’utilisation d’accélérateurs permettait le réglage de l’intensité et de l’énergie de ces particules.

  • 1 L’histoire du LAL a été contée par l’un de ses premiers acteurs, Pierre Marin [18] qui avait été tr (...)

14Ces deux types d’accélérateurs étaient présents en France dans les locaux de l’École normale supérieure sous la responsabilité du laboratoire de physique dirigé par Yves Rocard [18]. Celui-ci hésite à construire un synchrotron à électrons dans les sous-sols de Paris. Finalement, sous son impulsion, démarre en 1955 la construction du Laboratoire de l’accélérateur linéaire (LAL) à Orsay, qui donnera aux scientifiques français leur premier accélérateur d’électrons de grande puissance1. Le campus d’Orsay a été choisi à l’initiative d’Irène et Frédéric Joliot-Curie pour sa proximité avec Paris et sa desserte ferroviaire, afin d’y installer un centre de physique nucléaire. Le LAL démarre en 1961 et connaît différentes extensions, passant ainsi de 1 GeV à 2,3 GeV. Il est destiné à l’étude de la physique du noyau. Les expériences consistent, dans un premier temps, à accélérer des particules et à les projeter sur des cibles, la salle des cibles est un énorme bâtiment baptisé « igloo », toujours visible sur le campus d’Orsay.

15En 1943 en Allemagne, le norvégien Widerøe propose de réaliser des collisions entre particules accélérées se déplaçant en sens inverse. Pour des particules de masses et d’énergies égales, le système du laboratoire devient ainsi celui du centre de masse, ce qui augmente considérablement l’énergie d’interaction. Il faut donc accélérer indépendamment deux groupes de particules avant de les faire se rencontrer. Widerøe conçoit également le principe de l’anneau de stockage où un grand nombre de particules peuvent être injectées et conservées en circulation afin d’augmenter les probabilités de collision [20] [21]. En 1958, à Standford et à Novossibirsk, les premiers dispositifs pour ce type de collisions étaient des synchrotrons avec anneaux tangentiels. Une autre approche déterminante est réalisée en Italie à la suite d’un séminaire du physicien autrichien Bruno Touschek [22]. Celui-ci, en se basant sur l’électrodynamique quantique prédit que des électrons et des positrons occupent la même orbite dans un anneau de stockage. Des collisions peuvent être ainsi réalisées avec un seul anneau. Cela mènera à la construction d’AdA à Frascati, un petit anneau de stockage [23]. Très rapidement les Italiens valident les idées de Touschek mais se heurtent à la faiblesse de l’injecteur de particules dont ils disposent.

16Ils acceptent alors une proposition de Pierre Marin, faite au nom d’André Blanc Lapierre, directeur du LAL à cette époque, d’installer AdA sur l’accélérateur d’Orsay qui fera office d’injecteur suffisamment puissant. En 1962, AdA est à Orsay. Il est d’abord calibré, ses capacités de stockage d’électron et de positrons sont caractérisées, le rayonnement synchrotron fait sa première apparition à Orsay, mais il sert uniquement à analyser l’intensité et les dimensions des paquets de particules stockés [24]. En 1963 un nouveau problème attendait les expérimentateurs : une nuit de mars, le faisceau stocké semblait dans de bonnes conditions, le vide de l’anneau était très bon et le courant stocké atteignait une intensité record. Ils observèrent alors un phénomène de saturation de cette intensité. Bruno Touschek, très préoccupé, quitta le laboratoire vers deux ou trois heures du matin pour réapparaître quelques heures plus tard avec l’explication théorique de cette saturation : en raison des petites oscillations radiales auxquelles sont soumis les électrons stockés dans l’anneau, deux d’entre eux peuvent entrer en collision. Une telle diffusion électron-électron induit un échange d’énergie, donc une modification de leur vitesse qui peut les désynchroniser et entraîner leur disparition. Ce phénomène qui limite le nombre de particules stockées est aujourd’hui connu sous le nom d’effet Touschek [25]. Il reste la limite intrinsèque des anneaux de stockage. Une parade permit de repousser cette limite afin de réaliser les premières collisions électron-positron. Celles-ci sont caractérisées en observant les rayons gamma produits. Ces expériences montrèrent que des collisions électron-positron pouvaient se produire sur toute la circonférence de l’anneau, donc que les faisceaux d’électrons et de positrons se recouvraient complètement, ce qui validait les idées de B. Touschek. [26]. Après cette première, il est admis que l’anneau AdA a atteint ses limites qui ne peuvent être suffisamment repoussées qu’avec des machines de plus grande taille et de plus haute énergie. Les Français décident alors de construire ACO (Anneau de collision d’Orsay) et les Italiens Adone (grand AdA) à Frascati. La construction d’ACO profitera des enseignements d’AdA, mais également de l’expérience de l’anneau Saturne de Saclay. En 1965, ACO, pleinement opérationnel, sera le seul collisionneur électron-positron disponible en Europe. Entre 1965 et 1975, six appareillages de détection des collisions se succèderont. ACO restera au premier plan pour la physique des particules avant d’être supplanté par un autre dispositif, le DCI (Dispositif de collision dans l’igloo). La décision de construction de DCI est prise en 1970 et accompagne d’autres projets tel le soutien français au SPS : le Super proton synchrotron du CERN. Le DCI est un double anneau permettant de stocker quatre faisceaux et de croiser ainsi les collisions. La physique des particules continue mais commence également l’histoire du rayonnement synchrotron en France.

Le rayonnement synchrotron en France

17Une première tentative pour l’utilisation du rayonnement synchrotron date de 1963. Yvette Cauchois, professeur à Orsay et pionnière de la spectroscopie X, en particulier sur le synchrotron italien Adone [27], tente de négocier un partage d’ACO. Elle propose alors l’insertion, sur cet anneau, d’un système que l’on peut considérer comme précurseur des dispositifs actuels appelés « wigglers ». Mais les physiciens des particules ne sont pas prêts à partager la machine pour des raisons techniques et de disponibilité. Il faudra attendre 1973 pour qu’une première ligne VUV, émettant des ultraviolets, soit ouverte sur ACO. Enfin, en 1975, ACO sera entièrement dédié à l’utilisation du rayonnement synchrotron. Sur DCI l’installation d’une ligne de lumière sera prévue dès le début et il y aura une longue cohabitation entre les deux communautés d’utilisateurs.

18Le Laboratoire pour l’utilisation du rayonnement électromagnétique, Lure, est créé en 1971. Dans un article de La revue pour l’histoire du CNRS de 1999 [28], Hubert Curien, qui était alors le directeur général du CNRS, évoquait : « le Lure qui est né au mois de janvier 1971, lancé par une toute petite équipe très soutenue par le CNRS, l’université de Paris-Sud et la DGRST. Le démarrage de la première ligne de lumière sur ACO et de ses trois premières expériences à Pâques 1973, le démarrage des premières expériences sur DCI en juin 1976 ».

19Dans le présent dossier est retracée l’épopée du Lure à travers le témoignage de ces pionniers.

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Bibliographie

[1] On Faradays’s lines Forces, J.C. Maxwell, Cambridge Philosophical Society, Transactions (1856)

[2] A. Liénard L’éclairage électrique, Revue hebdomadaire d’électricité. 16, 1898, p. 5

[3] John P. Blewett, J. Synchrotron Rad, 5, 1998, pp. 135-139

[4] Kerst D.W., Phys. Rev. 60, 1941, p. 47-53

[5] Westendorp W. F. and Charlton E. E., J. Appl. Phys, 16, 1945, p. 581-593

[6] Ivanenko D. and Pomeranchuck I ,Akad. Nauk. Dolk, 44, 1944, p. 315; Phys. Rev.65, 1994, p. 343

[7] Blewet J, P. Phys. Rev, 69, 1946, p. 87-95

[8] M.O. Oliphant, « The acceleration of particles to very high energies », classified memo submitted to DSIR, United Kingdom, Sept. 1943, now in University of Birmingham Archive

[9] E.J.N. Wilson, Proc. Of the EPAC96, 1996, p. 135-139

[10] V.I. Veksler, « A new method of accelerating relativistic particles », Comptes rendus (Dokaldy) de l’Académie des sciences de l’URSS, 43, 8, 1994, p. 329-331

[11] E.M. McMillan, « The synchrotron- a proposed high energy accelerator », Phys. Rev, 68, 1945, p. 143

[12] F.K. Goward and D.E. Barnes, Nature, 158, 1946, p. 413

[13] B.S. Ratner, Atomnaya Energiya, vol. 34, No. 6, june 1973, p. 498-499

[14] F. R. Elder, A. M. Gurewitsch, R. V. Langmuir, and H. C. Pollock, « Radiation from Electrons in a Synchrotron », Phys. Rev, 71, 1947, p. 829

[15] Herbert Steiner, « Owen Chamberlain: 1920-2006 », Biographical Memoirs of the National Academy of Sciences

[16] Laurie M. Brown, Max Dresden, and Lillian Hoddeson « The Discovery of the Antiproton, Owen Chamberlain » in Pions to Quarks: Particle Physics in the 1950s, Cambridge, UK, Cambridge University Press, 1989, p. 273-284

[17] Henri Becquerel. Comptes rendus de l’Académie des sciences, séance du 24 février 1896, Sur les radiations émises par phosphorescence

[18] Pierre Marin, Un demi-siècle d’accélérateurs de particules 1959-2000, édition du Dauphin, Paris

[19] Agnès Traverse, Le projet soleil : Chronique et analyse d’un combat, L’Harmattan, 2007

[20] Livingston M.S., Marton L., « Early history of particle accelerators. Advances in electronics and electron physics », Academic Press, 50, 1980, p. 24.

[21] Waloschek Pedro, The Infancy of Particle Accelerators: Life and Work of Rolf Widerøe, Vieweg Verlag, 1994

[22] The Bruno Touschek legacy, Vienna 1921-Innsbruck 1978, Edoardo Amaldi, CERN 81-19, 23 décembre 1981

[23] Bernardini Carlo, « AdA: The First Electron-Positron Collider », Physics in Perspective, vol. 6, issue 2, June 2004, p. 156-183

[24] « From AdA to ACO », Jacques Haïssinski, Bruno Touschek Symposium, Frascati, November 16, 1998

[25] C. Bernardini et al. « Lifetime and Beam Size in a Storage Ring », Phys. Rev. Lett., 10, 1963, p. 407-409

[26] C. Bernardini et al, « Measurements of rate of Interaction between Stored Electrons and positrons », Il nuovo Cimento, 34, 1964

[27] Voir les contributions de Christiane Bonnelle et Pierre Dhez ainsi que celle d’Henri Ostrowiecki dans ce numéro

[28] « Le CNRS et Hubert Curien de 1969 à 1973 », La revue pour l’histoire du CNRS, 1999

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Notes

1 L’histoire du LAL a été contée par l’un de ses premiers acteurs, Pierre Marin [18] qui avait été très impliqué dans l’émergence du rayonnement synchrotron en France jusqu’au combat mené pour la construction du synchrotron Soleil [19]

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Pour citer cet article

Référence papier

François Baudelet, « Les origines du rayonnement synchrotron », Histoire de la recherche contemporaine, Tome III - N°1 | -1, 8-14.

Référence électronique

François Baudelet, « Les origines du rayonnement synchrotron », Histoire de la recherche contemporaine [En ligne], Tome III - N°1 | 2014, mis en ligne le 15 juin 2016, consulté le 17 août 2017. URL : http://hrc.revues.org/416 ; DOI : 10.4000/hrc.416

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Auteur

François Baudelet

Physicien au CNRS

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Droits d’auteur

© Comité pour l’histoire du CNRS

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