La propriété unique du rayonnement synchrotron réside dans son étendue spectrale, qui permet des études spectroscopiques autrement impossibles. La spectroscopie consiste à décomposer un rayonnement d’ondes en ses différentes composantes, c’est à dire suivant leur fréquence ou leur longueur d’onde. Par exemple, les longueurs d’onde du visible sont autour de 0,5 µm, celles des rayons X typiquement cent mille fois plus petites.
- En acoustique on peut décomposer les ondes sonores, une musique par exemple, en ses différentes fréquences, c’est la fameuse dictée musicale des cours de musique : L’oreille humaine est capable de faire cette analyse en fréquence ! On peut aussi faire l’inverse : composer une musique à partir des fréquences que l’on veut produire : ce sont les octaves et les notes de la gamme (pour la musique tonale) que l’on porte sur une partition : les lignes d’une partition représentent l’échelle des fréquences à partir d’une référence (le La du diapason à 44O Hz).
- En optique, il s’agit d’ondes électromagnétiques (« lumière » au sens large) que l’on nomme d’après leur gamme de fréquence (ou leur longueur d’onde) : ondes radio, infrarouge, visible, UV, rayons X (les ondes radio pour les télécommunications sont maintenant notées 5G, 4G, 3G).
- Les ondes électromagnétiques peuvent être envoyées sur des objets dont on peut déduire la nature ou la structure en observant la transmission et la diffusion selon leur fréquence. C’est ce que fait l’œil humain (décidément nos perceptions ont des capacités extraordinaires) car non seulement il voit en relief, mais aussi il différencie les fréquences dans la gamme du visible : les couleurs ! Sinon on ne verrait que du noir et blanc…
- L’être humain a exploré le monde avec la lumière du soleil, des étoiles ou d’une flamme et ses yeux pendant des millénaires jusque vers le milieu du 19ème siècle. Depuis lors on a pu faire beaucoup mieux en produisant des sources de rayonnement bien calibrées, de fréquence variable et en utilisant des éléments dispersifs (monochromateurs) pour sélectionner les longueurs d’onde) et des détecteurs sensibles dans toutes les gammes, et qui permettent des mesures détaillées des propriétés de la matière. Par exemple, on peut mesurer la composition chimique de l’atmosphère avec de l’infrarouge : taux d’oxygène, de vapeur d’eau, de CO2, de polluants, de poussières, etc. Avec des rayons X on peut mesurer la structure et la composition d’échantillons solides de manière non destructive et avec une grande sensibilité (détection de traces) sur des échantillons très petits ou précieux : roches, pierres précieuses, œuvres d’art et/ou très anciennes.
Schéma de principe d’une expérience de spectroscopie
Bien qu’il existe de nombreuses sources de laboratoire : lampes à incandescence, LED, lasers, etc., toutes les gammes de fréquence ne peuvent être atteintes avec des performances suffisantes. La seule source qui permet de balayer tout le spectre électromagnétique avec une grande brillance est le rayonnement synchrotron, en particulier dans le domaine des rayons X (dans ce domaine il est des millions de fois plus brillant que les classiques tubes à rayons X) et dans une gamme beaucoup plus large.
Pour obtenir les meilleurs performances, les synchrotrons utilisés doivent être très grands (354 m de circonférence pour SOLEIL), ce qui est onéreux. Par contre cette grande taille permet de desservir simultanément plusieurs dizaines d’expériences (« lignes de lumière ») 24 h sur 24 toute l’année. Ces lignes comprennent des appareillages différents permettant des mesures dans divers domaines spectraux pour diverses disciplines. Chacune est un véritable petit laboratoire sophistiqué (équipé par une équipe dédiée de chercheurs et techniciens) dans lequel les utilisateurs extérieurs (des milliers chaque année) n’ont qu’à apporter leurs échantillons. C’est pourquoi ces centres synchrotron sont appelés les « laboratoires des laboratoires »
Ainsi le rayonnement synchrotron est devenu un outil universel dans l’étude de la matière (Physique, Chimie, Biologie, Archéologie…) qui est complémentaire des laboratoires traditionnels des centres de recherche ou de l’industrie.
Pour en savoir plus :
Sur les fréquences en musique : https://www.deleze.name/marcel/physique/musique/GammeTemperee.html
Sur le rayonnement synchrotron : https://www.synchrotron-soleil.fr/fr/propos-de-soleil