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

Les dix premières années du Lure : 1971 à 1980

1971-1980: LURES’s first decade
Yves Farge
p. 28-32

Résumés

Le Lure a été créé à Orsay en 1971 par un petit groupe de chercheurs afin d'utiliser le rayonnement synchrotron émis par les anneaux de stockage ACO et DCI. Cette équipe a mis en place tous les dispositifs expérimentaux depuis l'ultraviolet jusqu'aux rayons X et les a ouverts à l'ensemble de la communauté scientifique nationale et internationale. Elle a rapidement pris conscience de la nécessité de construire des machines optimisées pour la production de ce rayonnement avec, pour effet, son implication dans le projet européen ESRF et la construction de Super-ACO.

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Texte intégral

Préambule

1C’est grâce à Marco Fontana qui passait une année dans mon équipe de recherche au Laboratoire de physique des solides à Orsay que j’ai pris connaissance, à l'automne 1970, de ce qu’était le rayonnement synchrotron. De plus, ce visiteur m’a appris qu'il existait un anneau de collision opérationnel au Laboratoire de l'accélérateur linéaire (LAL) : ACO. Jacques Friedel, que j’avais mis au courant de cette opportunité, a organisé, en janvier 1971, un déjeuner auquel participaient André Lagarrigue et Pierre Marin pour le LAL, Vittorio Luzzati, Sydney Leach, André Autier et moi-même. Au cours de ce déjeuner, Pierre Marin nous a informés que la construction d'un nouvel anneau nommé DCI (Dispositif de collision dans l'igloo) avait été décidée et que cette machine émettrait du rayonnement synchrotron dans le domaine des rayons X alors qu’ACO était limité aux rayons X « mous ». Les participants m'ont alors demandé de contacter les chercheurs qui avaient déjà manifesté leur intérêt pour le rayonnement synchrotron afin de mettre en place une démarche unique et coordonnée. Ce fut, en quelque sorte, l'acte de naissance du Lure.

Les principaux repères historiques

2ACO : une première équipe a été mise en place au début de l'année 1971 pour l'utilisation de son rayonnement. Elle était constituée de spécialistes de la physique atomique (P. Jaeglé à qui se sont rapidement joints P. Dhez puis F. Wuilleumier) ; de la physique moléculaire (R. Lopez-Delgado, C. Vermeil, P. M. Guyon rapidement rejoints par I. Nenner) ; de la physique des solides enfin (M. L. Theye, R. Pinchaux, J. Lecante, rejoints, en 1972, par Y. Petroff).

3Une première ligne nommée A8, qui desservait cinq postes de travail a été inaugurée au début du printemps 1973. Au début de l'année 1976, ACO était complètement dédié au rayonnement synchrotron ; l'espace libéré par les physiciens des particules a été utilisé pour implanter une deuxième ligne A4 et deux postes de travail, l'un consacré à la spectroscopie dans les rayons X « mous » et l'autre à la photo émission angulaire des solides.

4Une troisième ligne, A6, a été mise en service en 1979 avec trois postes de travail largement dédiés à la physique moléculaire.

5Les domaines spectraux atteints allaient, dans une première période, du visible jusqu'à 200 eV puis ils furent étendus à 2000 eV.

  • 1 Chercheurs du Lure

6Enfin, en 1980, un onduleur a été mis en place sur la section droite d'ACO entre les aimants 2 et 3, ce qui a permis de valider l'intérêt de ce dispositif pour des émissions de rayonnement synchrotron beaucoup plus intenses et largement accordables. Simultanément, une équipe de « lurons1 » et de chercheurs de Stanford a utilisé cet onduleur pour réaliser le premier laser à électrons libres (LEL) fonctionnant sur un anneau de stockage. Cette expérience pionnière a ouvert la voie à la physique des LEL puis à la construction, dans le monde entier, de tels dispositifs.

7DCI : une deuxième équipe a été mise en place, dès 1973, pour l'utilisation des rayons X qui allaient être émis par ce nouvel anneau de stockage. Elle était constituée, entre autres, de R. Fourme, M. Sauvage, J. Petiau, P. Lagarde, D. Tchoubar et F. Rousseau.

8Pour cela, il a fallu construire un hall expérimental adossé à l'igloo dans lequel se trouvait l'anneau. Une première ligne, D1, est entrée en service en mai 1976. Elle couvrait un domaine spectral allant de 3 KeV à 30 KeV avec cinq dispositifs expérimentaux : deux monochromateurs à cristal courbe pour la diffraction et la diffusion, un dispositif EXAFS, un dispositif « topographie des rayons X », un monochromateur à haute résolution pour la diffusion Compton (diffusion inélastique de rayonnement d'un photon sur un électron d'un atome. et la diffusion Raman (diffusion inélastique d'un photon avec absorption ou émission d’une vibration moléculaire

L'approche scientifique et technique

9Les photons ont toujours constitué une sonde très performante pour l'étude de la matière. Les modes d'interaction sont les suivants : l'absorption, la fluorescence, la photo émission, l'ionisation des atomes, l’ionisation et la photo-dissociation des molécules, la diffusion inélastique etc. Dès les débuts du Lure, ces différents modes d'interaction des photons et de la matière ont été mis à profit.

10Il importe de souligner ici le très important travail expérimental qui a été réalisé par les équipes pionnières citées plus haut : au-delà de la simple construction des lignes de lumière qui amenaient les photons de l'ultra vide jusqu'aux expériences, il a fallu concevoir et fabriquer de nouveaux monochromateurs dans des domaines spectraux très variés pour alimenter, avec des faisceaux monochromatiques, les dispositifs expérimentaux associés aux différents modes d'interaction qui viennent d’être mentionnés. Tout cela s'est fait en interaction permanente avec les trois autres centres de rayonnement synchrotron équivalents dans le monde, DESY (Deutsch Synchrotron) à Hambourg en Allemagne ; Daresbury en Grande-Bretagne et Stanford aux États-Unis.

L'organisation et le financement du Lure

11Dès le début, la petite équipe qui a lancé le Lure a reçu le soutien de la DGRST (Délégation générale à la recherche scientifique et technique), du CNRS à travers une RCP (recherche coopérative sur programme). Puis, en 1976, le Lure est devenu un laboratoire mixte associant le CNRS, l'université Paris-Sud et le CEA. Le soutien permanent de ces trois institutions a été essentiel, tout autant que l'implication de Robert Chabbal, directeur de la physique au CNRS, qui avait reçu délégation de l'université et du CEA pour le suivi de cette aventure.

12Le projet du Lure a donc été très soutenu par les grands patrons de la recherche française, mais il n'a pas reçu le même soutien de tous, en particulier des commissions du CNRS, qui ont vu d'un mauvais œil apparaître de nouvelles demandes de budget entrant en compétition financière avec les autres mais qui, plus encore, pratiquaient l'évaluation en fonction du passé, un passé où le rayonnement synchrotron, à l’évidence, n’existait pas.

Le Lure : un laboratoire au service de l'ensemble de la communauté scientifique

13L’ouverture du Lure à l'ensemble de la communauté scientifique a constitué le premier débat stratégique de ce nouveau laboratoire : fallait-il réserver cette nouvelle unité au seul usage de ceux qui l'avaient rejointe ou, au contraire, l'ouvrir très largement à d’autres utilisateurs ? Il y a eu rapidement unanimité pour une ouverture aussi large que possible afin, en particulier, d'attirer les meilleurs chercheurs et les meilleures équipes tant de France que de l'étranger. Nous ne pouvons que nous féliciter d'un tel choix qui généra une formidable richesse, tant par la qualité des visiteurs accueillis que par celle des interactions entre des équipes françaises de modeste notoriété et des équipes étrangères au meilleur niveau mondial, interactions qui ont permis aux premières des progrès spectaculaires. À titre d'exemple, le premier cliché de diffraction d'une protéine a été réalisé par une équipe de Cambridge.

Le débat stratégique au Lure dans les années 1975-1977

14Au début des années soixante-dix, la communauté mondiale du rayonnement synchrotron utilisait des machines (synchrotrons ou anneaux de stockage) fabriquées et employées pour la physique des hautes énergies. Bien évidemment, ces machines, dont ACO et DCI faisaient partie, n'était pas optimisées pour produire du rayonnement synchrotron mais pour obtenir un maximum d'interaction entre les particules dans les zones de collision entre électrons et positrons. Elles furent appelées machines de première « génération ».

15Des machines complètement dédiées à la production du rayonnement synchrotron, dites de deuxième « génération », ont ensuite été programmées, mais sur le modèle des anneaux de stockage existants, dans lesquels l’émission de lumière se produisait dans les aimants de courbure, avec, toutefois, des faisceaux d'électrons de dimensions nettement plus petites et possédant donc une meilleure brillance.

16C'est sur une telle machine qu’a été installé, sur une section droite, le premier wiggler supraconducteur induisant une déviation brutale du faisceau d'électrons et, de ce fait, une émission de photons plus intense et de plus grande énergie. Les réflexions ont ensuite porté sur la possibilité de faire osciller les électrons, toujours sur une section droite de l'anneau de stockage, avec un champ magnétique périodique, dispositif appelé onduleur. Les avantages calculés étaient nombreux : émission « monochromatique » dans l'axe de l'onduleur dont l'énergie varie comme le carré du champ magnétique et la brillance comme le carré du nombre de périodes. La première expérimentation d'un tel dispositif a été réalisée au Lure en 1978 et a montré que celui-ci était particulièrement prometteur. C'est d'ailleurs cet onduleur qui, ensuite, a été utilisé pour réaliser le laser à électrons libres dont il a été fait mention plus haut.

17Enfin, les spécialistes des anneaux de stockage, en particulier Pierre Marin et Michel Sommer au LAL, avaient montré qu'il était possible de réduire de façon très significative l’émittance du faisceau d'électrons (sa taille) dans un anneau de stockage et, corrélativement, d'augmenter d'autant la brillance de la lumière émise.

18La voie était ainsi ouverte à ce qui est appelé aujourd'hui les sources de troisième « génération » : émittance très faible, sections droites où sont placés des onduleurs et des wigglers. L'équipe du Lure, à partir de ces considérations, a élaboré une stratégie permettant à la recherche française de disposer de cette nouvelle génération de machines. Cette stratégie était articulée autour de deux projets : d'une part une machine très performante dans le domaine des rayons X, d'une énergie de l'ordre de 6 GeV, dont le coût excédait les moyens nationaux et qu'il fallait donc envisager au niveau européen et, d'autre part, une machine nettement plus petite dans le domaine des rayons X « mous » qui devait remplacer ACO largement dépassé, projet appelé Super-ACO.

La réalisation de cette stratégie

19Cette stratégie a été un plein succès et le Lure y a joué un rôle considérable. L'auteur de ces lignes a présidé, de 1978 à 1986, le « working group » qui a élaboré l'avant-projet sommaire de l’ESRF dans le cadre de la Fondation européenne de la science. Dans cet intervalle, Hubert Curien faisait le travail politique assisté de Robert Chabbal et Jules Horovitz. La décision politique de construire l’ESRF a été prise en 1988, le site de Grenoble retenu et la mise en service a eu lieu en 1993. Vingt ans après, cette « facilité » est considérée comme l'une des meilleures du monde.

20La construction de Super-ACO a été décidée au tout début des années quatre-vingt en utilisant l'accélérateur linéaire du LAL comme injecteur. Yves Petroff en a été le maître d'œuvre. Les réflexions stratégiques menées à la fin des années soixante-dix ne pouvaient prévoir la croissance extrêmement rapide, dans les années quatre-vingt, du nombre de chercheurs qui souhaitaient accéder à ces installations. À titre d'exemple, ce nombre était de l'ordre de deux cents environ à la fin des années soixante-dix pour le Lure or, aujourd'hui, l’ESRF accueille environ quatre mille visiteurs par an et Soleil deux mille. Une autre phase a donc été ouverte dans les années quatre-vingt-dix pour remplacer DCI, machine de première « génération » et super ACO dont les caractéristiques restaient limitées compte tenu de l'espace restreint dans lequel cette machine avait été construite. Ce fut alors le projet Soleil décrit dans un autre article du présent dossier.

Les moteurs du succès de cette première phase, ou l'histoire derrière l'histoire

21L'auteur de ces lignes, de façon subjective, considère que ce qui fut indéniablement un succès est dû aux éléments suivants :

  • dès le départ, deux excellentes machines, ACO et DCI, qui ont pu être utilisées au mieux avec l'assistance permanente, amicale, et parfois rude ( !) de Pierre Marin qui en avait la responsabilité. Je voudrais, ici, lui rendre un hommage appuyé et reconnaissant ;

  • le soutien de quelques grands « mandarins » qui ont fait confiance à une équipe de « cow-boys » comme aimait à nous appeler Robert Chabbal : Yvette Cauchois, Pierre Aigrain, Robert Chabbal, Hubert Curien, Jacques Friedel, André Guinier, Jules Horowitz, Sydney Leach et tant d’autres ;

  • dès 1971, le soutien permanent de la direction générale du CNRS et de la DGRST sur toute la durée puis, à partir de 1975, celui du CEA ;

  • un environnement scientifique remarquable, tant à Paris qu'à Orsay, qui a permis d'attirer très rapidement les meilleures équipes françaises ;

  • une équipe de jeunes chercheurs enthousiastes et motivés avec une mixité meilleure que dans les autres laboratoires : les hommes, passés par l'université plutôt que par les grandes écoles revenaient, pour la plupart, d'un stage de « post-doc » aux États-Unis et n'avaient aucune envie de reprendre leurs activités dans leur laboratoire d'origine ; les femmes, tout aussi enthousiastes, trouvaient dans cette aventure un moyen d’exprimer leurs talents dans un milieu de la recherche publique assez machiste ;

  • une couverture internationale voulue dès le départ avec la volonté d'attirer les meilleures équipes, tirant ainsi l'ensemble du projet vers le haut ;

  • enfin, un mode de fonctionnement, nouveau à l'époque, qui évitait le féodalisme trop courant des laboratoires d'un côté, un dirigisme stérilisant de l'autre ou encore un système d’assemblée générale permanente très chronophage. À la mode japonaise, des décisions étaient prises par la direction après de nombreux échanges et, de ce fait, elles étaient respectées.

Conclusion

22Les dix premières années du Lure ont été les prémices d'une aventure scientifique et humaine exceptionnelle.

23Aventure scientifique car le rayonnement synchrotron permettait de regarder des « objets » (atomes, molécules, solides, surfaces, liquides etc.) dans des domaines de longueurs d’ondes où il n'existait aucune source de lumière excepté à des longueurs d'ondes très spécifiques comme, par exemple, la raie K alpha du cuivre à 1,54 angström. Les anneaux de stockage d'Orsay permettaient déjà de gagner quatre à cinq ordres de grandeur en intensité, gain qui est monté à douze ordres de grandeur avec les machines de troisième « génération ». À titre d'exemple, l'équipe de Cambridge a réalisé en douze heures sur DCI ce qui lui demandait quinze mois de prises de données sur les meilleurs tubes à rayons X (et ne demande plus que quelques millisecondes aujourd’hui, à l’ESRF !).

24Aventure humaine exceptionnelle avec une équipe jeune, enthousiaste, motivée, intellectuellement très ouverte. Le directeur que j'étais avait le sentiment de diriger un orchestre dont chaque musicien comptait parmi les virtuoses de son domaine.

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Bibliographie

« Yves Farge, L’élaboration du projet ESRF : la coopération européenne dans le domaine du rayonnement synchrotron », Histoire de la recherche contemporaine, Tome I, n° 1, 2012, p. 16-25

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Notes

1 Chercheurs du Lure

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Pour citer cet article

Référence papier

Yves Farge, « Les dix premières années du Lure : 1971 à 1980 », Histoire de la recherche contemporaine, Tome III - N°1 | -1, 28-32.

Référence électronique

Yves Farge, « Les dix premières années du Lure : 1971 à 1980 », Histoire de la recherche contemporaine [En ligne], Tome III - N°1 | 2014, mis en ligne le 15 juin 2016, consulté le 25 avril 2017. URL : http://hrc.revues.org/459 ; DOI : 10.4000/hrc.459

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Auteur

Yves Farge

Premier directeur du LURE à Orsay, a dirigé le groupe de travail européen qui a conçu le projet de synchrotron européen ESRF en fonctionnement aujourd’hui à Grenoble.

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Droits d’auteur

© Comité pour l’histoire du CNRS

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