Qu’est-ce qu’une source de rayonnement synchrotron ?
Une source de rayonnement synchrotron utilise des aimants de courbure pour contraindre des paquets d’électrons de haute énergie à circuler dans un accélérateur synchrotron annulaire à une vitesse proche de celle de la lumière. Le long de la direction tangentielle de leur trajectoire déviée, les électrons émettent un spectre continu d’ondes électromagnétiques. Ce rayonnement spontané, caractérisé par une forte intensité et un large spectre, permet de sélectionner arbitrairement la longueur d’onde souhaitée et de l’ajuster en continu. De ce fait, il est devenu une nouvelle source de lumière pour la recherche scientifique.
Structure principale de la source lumineuse :
Il se compose principalement d’un accélérateur linéaire, d’un booster, d’un anneau de stockage, de lignes de faisceau et de stations expérimentales.
Historique du développement :
Caractéristiques de la source lumineuse
- Haute intensité
Par exemple, l’acquisition d’une image radiographique de défauts cristallins avec un appareil à rayons X conventionnel nécessite généralement 7 à 15 jours d’exposition, tandis que l’utilisation d’une source de rayonnement synchrotron ne prend que quelques secondes ou minutes. L’efficacité est ainsi améliorée de plusieurs dizaines de milliers de fois. La haute brillance du rayonnement synchrotron lui permet de réaliser de nombreuses tâches impossibles avec les sources lumineuses conventionnelles. - Large spectre
Le rayonnement synchrotron couvre un large spectre, allant de l’infrarouge à la lumière visible, en passant par l’ultraviolet lointain et les rayons X mous, jusqu’aux rayons X durs. Il s’agit actuellement de la seule source de lumière capable de couvrir un spectre aussi étendu tout en conservant une haute luminosité. - Collimation élevée
Le rayonnement synchrotron extrait par des composants optiques présente une excellente collimation. Après focalisation, sa brillance est considérablement accrue, permettant ainsi l’étude d’échantillons extrêmement petits et d’éléments traces dans les matériaux. - Nature pulsée
Le rayonnement synchrotron est émis par des paquets d’électrons circulant périodiquement dans l’anneau de stockage, produisant une structure temporelle d’impulsions allant de la nanoseconde à la microseconde. Cette propriété permet d’étudier des processus dépendant du temps, tels que les réactions chimiques, les excitations physiques et les modifications cellulaires biologiques. - Polarisation
À l’instar de la lumière visible, le rayonnement synchrotron émis par l’anneau de stockage peut présenter une polarisation linéaire ou circulaire selon l’angle d’observation. Cette propriété permet d’étudier l’orientation de paramètres spécifiques dans des échantillons.
Principales applications :
Matériaux d’ingénierie
La ligne de faisceau HEPS dédiée aux matériaux d’ingénierie offre des méthodes de contrôle non destructif caractérisées par une forte capacité de pénétration, une résolution spatiale multi-échelle, une sensibilité élevée à la densité, une haute résolution angulaire et une large couverture. Elle permet des études in situ, non destructives, multidimensionnelles et multi-échelles des caractéristiques micro- et mésostructurales des matériaux d’ingénierie, ainsi que de la distribution des contraintes résiduelles. De plus, elle soutient la recherche sur les relations entre les techniques de fabrication et de traitement, les conditions de chargement et environnementales, et les performances macroscopiques des matériaux en service.
Matériaux avancés
L’impression 3D industrielle, représentative des technologies de fabrication avancées, est un élément clé de la stratégie « Made in China 2025 ». Les procédés complexes induisent souvent une évolution microstructurale et des contraintes résiduelles, entraînant une dégradation des performances des matériaux et une défaillance prématurée. La spectroscopie d’émission atomique à haute énergie (HEPS) permet un diagnostic in situ, non destructif et en temps réel des conditions de fabrication et d’utilisation, offrant ainsi des informations cruciales sur le lien entre microstructure et performances, et contribuant à l’amélioration de la fiabilité des matériaux avancés.
Catalyse et énergie
La clé d’applications énergétiques vertes efficaces, propres et renouvelables réside dans la compréhension des processus de réactions catalytiques chimiques et dans la maîtrise de la catalyse aux échelles moléculaire et nanométrique. De telles études nécessitent des installations de rayonnement synchrotron à flux de rayons X élevé, à forte brillance, à excellente résolution temporelle et spatiale, et permettant de mener des expériences in situ et operando dans des conditions réalistes. Seuls les dispositifs de rayonnement synchrotron à haute brillance et à très faible émittance peuvent offrir ces conditions de recherche.
Nouvelle énergie
Le pétrole et le gaz de schiste sont devenus des atouts majeurs dans l’exploitation des ressources mondiales. Grâce à la technologie de nanotomographie (nano-CT) du HEPS, il est possible d’obtenir des images tridimensionnelles des structures de schiste avec une résolution nanométrique, révélant ainsi les caractéristiques de distribution spatiale des pores et permettant d’acquérir des paramètres tels que la connectivité, la distribution de la taille et le volume des pores. De plus, les méthodes de diffusion aux petits angles permettent de visualiser les nanopores et la distribution des pores à différentes échelles, fournissant des données scientifiques pour l’étude des propriétés de stockage du pétrole et du gaz de schiste.
Répartition mondiale des sources de lumière synchrotron
Les sources de lumière à rayonnement synchrotron sont largement utilisées dans l’économie nationale, la recherche scientifique et les industries de défense, et divers matériaux magnétiques en sont une partie essentielle.
